CN103214913A - 一种有机压电阻尼涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机压电阻尼涂料，其按质量含有树脂基料100份，压电陶瓷粉30～200份，导电炭黑0.5～5份，助剂0.5～50份；其制备方法是将压电陶瓷粉、导电炭黑与树脂基料混合、搅拌，经超声波分散后加入助剂，使压电陶瓷粉、炭黑树脂基料内均匀分布形成涂料，将制得的涂料在直流油浴电场中极化后则得到所述的有机压电阻尼涂料。该材料作为一种阻尼涂料，在宽温域内（-50～100℃），阻尼性能良好（tanδ≥0.1），可广泛用于室内、飞机、船舶、车辆和各种机械的减振和降噪，有显著的减振降噪效果。
Description
技术领域
本发明涉及压电阻尼材料领域，特别是涉及一种有机压电阻尼涂料及其制备方法。
背景技术
振动、噪声是各行业普遍存在并亟待解决的问题，主要包括交通噪声、工业噪声和生活噪声。各种机车、轨道车辆、汽车、轮船、风机、工程机械、洗衣机、洗碗机、空调机、冰箱、建筑板材、送风管道、环保设备等,应用阻尼材料可以有效地降低设备及板壁结构的振动和辐射噪声,是环保性减振降噪材料。发达国家对噪声危害已经立法,机电产品中广泛采用减振降噪技术和阻尼材料。我国对客车运行速度为80km/h时车内容许噪声值提出了严格的标准(GB/T12816-91铁道客车噪声的评定)。而目前实测的噪声值都不同程度的超过了容许噪声值，因此减振降噪技术的研究和减振降噪材料的研究开发在我国轨道交通行业显得非常必要和迫切。
阻尼涂料是一种具有减振、隔声和一定密封性的特种涂料，可广泛用于飞机、船舶、车辆和各种机械的减振和降噪，由于涂料可直接喷涂在结构表面上，故施工方便，尤其对结构复杂的表面，更体现出它的优越性。
目前机车车辆常用的阻尼材料主要有沥青阻尼材料、橡胶阻尼材料和阻尼涂料等三类。国内外学者对有机高分子阻尼涂料的制备及改性进行了大量的研究，主要包括共混、共聚、互穿网络、分子超支化、常规填料填充及纳米材料改性等方面。
压电陶瓷/聚合物复合材料是一类重要新兴材料，近年来，无论是在其理论研究还是其性能研究、制备工艺以及应用开发方面都取得了许多重大成果。当涂料中有压电导电材料时，在外力下，压电材料发生形变，在某些对应表面产生符号相反的电荷，实现从机械能向电能的转化，从而达到显著的减振降噪效果。然而，以压电陶瓷粉和有机涂料制备有机压电阻尼涂料却未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够实现振动机械能—电能—热能转换，从而将振动机械能消耗掉的有机压电阻尼涂料。同时，提供该有机压电阻尼涂料的制备方法。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的有机压电阻尼涂料，按质量含有：树脂基料100份，压电陶瓷粉30～200份，导电炭黑0.5～5份，助剂0.5～50份。
所述树脂基料可以采用环氧树脂清漆、不饱和树脂清漆、丙烯酸清漆、聚氨酯清漆、酚醛清漆、醇酸树脂漆、醋酸乙烯乳胶漆中的一种或几种。
所述压电陶瓷粉可以为锆钛酸铅压电陶瓷粉、钛酸铅压电陶瓷粉、三元系压电陶瓷粉、无铅压电陶瓷粉K1-xNaxNbO3中的一种或几种，分子式中0.1<x<1。
所述助剂可以采用分散剂、稀释剂、消泡剂、催干剂、流平剂、润湿剂、防霉剂、抗油剂中的一种或几种。
本发明提供的上述有机压电阻尼涂料，其制备方法包括以下步骤：按配方比例称量树脂基料、压电陶瓷粉和导电炭黑，将其混合、分散后加入助剂，经搅拌均匀混合、成型后得到压电有机涂料，然后将该涂料在高压直流油浴电场中进行极化。
所述混合后的分散方法可以为超声波分散法，采用的工艺条件是：温度90℃，频率为60～90Hz，震荡时间为3～4个小时。
所述极化条件可以为：油浴加热，极化温度为80～120℃；极化电压为8～12kV/mm；极化时间为20～30min。
本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点：
通过本发明可以获得一种工艺简便易行、宽温域内（-50～100℃）阻尼性能良好（tanδ≥0.1）的有机压电阻尼涂料。
对于组成阻尼涂料的基体高聚物来说，能产生有效阻尼的温度范围T在20-30℃，而阻尼涂料的使用环境温度变化却常常很大。通过加入压电陶瓷粉以及导电炭黑，可以提高聚合物涂料的阻尼性能，拓宽其有效阻尼温域至-50-100℃，从而能够拓宽阻尼涂料的适用范围；
该材料作为一种阻尼涂料，可直接喷涂在结构表面上，故施工方便，尤其对结构复杂的表面，更体现出它的优越性；
该材料作为一种阻尼涂料，与高分子通过共混、共聚、互穿网络、分子超支化、纳米材料填充等改性阻尼涂料相比，具有成本较低，制备简单，具有可设计性等优点；
高分子材料具有粘弹性，在受力时会产生滞后现象从而产生力学损耗；压电材料在受力时会发生形变，在某些对应表面产生符号相反的电荷，从而将机械能转化为电能。该材料作为一种阻尼涂料，充分结合了高分子材料以及压电材料的两种阻尼特性，从而能够达到较之单一阻尼材料更为优良的阻尼效果；
该材料作为一种阻尼涂料，可广泛用于室内、飞机、船舶、车辆和各种机械的减振和降噪，有显著的减振降噪效果，在宽温域内（-50～100℃）能到达良好的阻尼性能（tanδ≥0.1）。
具体实施方式
本发明提供的材料是有机压电阻尼涂料，该材料由树脂基料、压电陶瓷粉、导电炭黑、助剂组成，他们的质量分数比为：树脂基料100份，压电陶瓷粉30～200份，导电炭黑0.5～5份，助剂0.5～50份。
本发明提供的上述材料的制备方法是：按配方比例称量各组份混合、分散，然后加入助剂、机械搅拌均匀混合，最后将成型的压电有机涂料在高压直流油浴电场中极化。
下面结合实施案例对本发明做进一步说明，但并不限定本发明。
实施例1～4：
用硅烷偶联剂KH550处理钛酸铅粉末，乙醇水溶液清洗，干燥研磨；环氧树脂清漆包括主剂组分环氧树脂6101溶液以及固化剂组分环氧树脂固化剂T31。按配方比例将处理好的钛酸铅粉末以及炭黑加入环氧树脂树脂6101溶液中，室温下机械搅拌10min，再将混合料置于超声波混合仪中，在温度为90℃、频率为80Hz下超声波震荡3个小时，之后按配方比例加入分散剂BYK-180、消泡剂BYK-A530、催干剂JUST-2100以及环氧树脂固化剂T31，混合均匀，得到环氧树脂压电阻尼涂料。将试样放在油浴中极化，极化温度为100℃，极化电压10kV/mm，极化时间为30min。实施案例1～4的配方比例见表1，用此方法制备的环氧树脂阻尼涂料阻尼性能见表2。
实施例5～8：
用硅烷偶联剂KH550处理钛酸铅粉末，乙醇水溶液清洗，干燥研磨；不饱和聚酯清漆包括主剂组分不饱和聚酯PE-988溶液以及固化剂组分苯乙烯。按配方比例将处理好的钛酸铅粉末以及炭黑加入不饱和聚酯PE-988溶液中，室温下机械搅拌10min，,再将混合料置于超声波混合仪中，在温度为90℃、频率为80Hz下超声波震荡3个小时，之后按配方比例加入分散剂BYK-180、消泡剂BYK-180以及固化剂苯乙烯，混合均匀，得到不饱和聚酯压电阻尼涂料。将试样放在油浴中极化，极化温度为100℃，极化电压为10kV/mm，极化时间为30min。实施案例5～8的配方比例见表3，用此方法制备的不饱和聚酯阻尼涂料阻尼性能见表4。
实施例9～12：
用硅烷偶联剂KH550处理钛酸铅粉末，乙醇水溶液清洗，干燥研磨；丙烯酸清漆包括主剂组分丙烯酸树脂分散体以及固化剂组分聚异氰酸酯。按配方比例将处理好的钛酸铅粉末以及导电炭黑加入到丙烯酸树脂分散体中，室温下机械搅拌10min，再将混合料置于超声波混合仪中，在温度为90℃、频率为80Hz下超声波震荡3个小时，之后按配方比例加入分散剂BYK-180、消泡剂BYK-019、流平剂BYK-333、润湿剂BYK-348以及固化剂聚异氰酸酯，混合均匀，得到丙烯酸聚酯压电阻尼涂料。将试样放在油浴中极化，极化温度为100℃，极化电压为10kV/mm，极化时间为30min。实施案例9～12的配方比例见表5，用此方法制备的环氧树脂阻尼涂料阻尼性能见表6。
实施例13～16：
用硅烷偶联剂KH550处理钛酸铅粉末，乙醇水溶液清洗，干燥研磨；双组份水性聚氨清漆包括主剂组分水性聚氨酯分散体以及固化剂组分多异氰酸酯。按照配方比例将处理好的钛酸铅粉末以及导电炭黑加入到水性聚氨酯分散体中，室温下机械搅拌10min，再将混合料置于超声波混合仪中，在温度为90℃、频率为80Hz下超声波震荡3个小时，之后按配方比例加入分散剂BYK-180、消泡剂BYK-019、抗油剂PF104以及固化剂多异氰酸酯混合均匀，得到聚氨酯压电阻尼涂料。将试样放在油浴中极化，极化温度为100℃，极化电压为10kV/mm，极化时间为30min。实施案例13～16的配方比例见表7，用此方法制备的环氧树脂阻尼涂料阻尼性能见表8。
实施例17～20：
用硅烷偶联剂KH550处理钛酸铅粉末，乙醇水溶液清洗，干燥研磨；酚醛清漆包括主剂组分酚醛树脂溶液以及固化剂组分对甲基苯磺酸。按配方比例将处理好的钛酸铅粉末以及炭黑加入酚醛树脂溶液中，室温下机械搅拌10min，再将混合料置于超声波混合仪中，在温度为90℃、频率为80Hz下超声波震荡3个小时，之后按配方比例加入分散剂BYK-180、消泡剂BYK-019、稀释剂104以及固化剂对甲基苯磺酸，混合均匀，得到环氧树脂压电阻尼涂料。将试样放在油浴中极化，极化温度为100℃，极化电压为10kV/mm，极化时间为30min。实施案例17～20的配方比例见表9，用此方法制备的环氧树脂阻尼涂料阻尼性能见表10。
实施例21～24：
用硅烷偶联剂KH550处理钛酸铅粉末，乙醇水溶液清洗，干燥研磨；按配方比例将处理好的钛酸铅粉末以及炭黑加入醇酸清漆中，室温下机械搅拌10min，再将混合料置于超声波混合仪中，在温度为90℃、频率为80Hz下超声波震荡3个小时，之后按配方比例加入分散剂BYK-180、消泡剂BYK-019以及稀释剂104，混合均匀，得到醇酸树脂压电阻尼涂料。将试样放在油浴中极化，极化温度为100℃，极化电压为10kV/mm，极化时间为30min。实施案例21～24的配方比例见表11，用此方法制备的环氧树脂阻尼涂料阻尼性能见表12。
实施例25～28：
用硅烷偶联剂KH550处理钛酸铅粉末，乙醇水溶液清洗，干燥研磨；按配方比例将处理好的钛酸铅粉末以及炭黑加入醋酸乙烯乳胶漆中，室温下机械搅拌10min，再将混合料置于超声波混合仪中，在温度为90℃、频率为80Hz下超声波震荡3个小时，之后按配方比例加入分散剂六偏磷酸钠、消泡剂磷酸三丁酯、防霉剂JC962，混合均匀，得到醋酸乙烯树脂压电阻尼涂料。将试样放在油浴中极化，极化温度为100℃，极化电压为10kV/mm，极化时间为30min。实施案例25～28的配方比例见表13，用此方法制备的环氧树脂阻尼涂料阻尼性能见表14。
附表
表1 实施例1～4配方(质量份)
| 组分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 环氧树脂6101溶液 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 固化剂T31 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 钛酸铅粉末 | 30 | 100 | 150 | 200 |
| 导电炭黑 | 0.5 | 2 | 3.5 | 5 |
| 分散剂BYK-180 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 |
| 消泡剂BYK-A530 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 |
| 催干剂JUST-2100 | 0.8 | 1.O | 1.2 | 1.4 |
表2压电阻尼涂料在各温度下的阻尼损耗因子(tanδ)值(频率是100Hz，测试执行标准GJB981-1990)
| -50℃ | 10℃ | 26℃ | 60℃ | 100℃ | |
| 实施例1 | O.1281 | 0.3515 | 0.3992 | 0.4697 | 0.4334 |
| 实施例2 | O.1406 | 0.4652 | 0.5823 | 0.5032 | 0.4026 |
| 实施例3 | O.1395 | 0.4031 | 0.6419 | 0.7916 | 0.5930 |
| 实施例4 | O.1308 | 0.3761 | 0.3829 | 0.4318 | 0.3971 |
表3 实施例5～8配方(质量份)
| 组分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 不饱和聚酯PE-988溶液 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 固化剂苯乙烯 | 35 | 35 | 35 | 35 |
| 钛酸铅粉末 | 30 | 100 | 150 | 200 |
| 导电炭黑 | 0.5 | 2 | 3.5 | 5 |
| 分散剂BYK-180 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 消泡剂BYK-A530 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
表4压电阻尼涂料在各温度下的阻尼损耗因子(tanδ)值(频率是100Hz，测试执行标准GJB981-1990)
| 一50℃ | 10℃ | 26℃ | 60℃ | 100℃ | |
| 实施例1 | 0.1249 | 0.3261 | 0.3695 | 0.42167 | 0.3989 |
| 实施例2 | 0.1307 | 0.4159 | 0.5060 | 0.4739 | 0.3756 |
| 实施例3 | 0.1264 | 0.3231 | 0.4841 | 0.5391 | 0.4630 |
| 实施例4 | 0.1183 | 0.3253 | 0.3529 | 0.3318 | 0.3471 |
表5 实施例9～12配方(质量份)
| 组分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 丙烯酸树脂分散体 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 固化剂聚异氰酸酯 | 35 | 35 | 35 | 35 |
| 钛酸铅粉末 | 30 | 100 | 150 | 200 |
| 导电炭黑 | 0.5 | 2 | 3.5 | 5 |
| 分散剂BYK-180 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 消泡剂BYK-019 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 流平剂BYK-333 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 润湿剂BYK-348 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
表6 压电阻尼涂料在各温度下的阻尼损耗因子(tanδ)值(频率是100Hz，测试执行标准GJB981-1990)
| -50℃ | 10℃ | 26℃ | 60℃ | 100℃ | |
| 实施例1 | 0.1229 | 0.3461 | 0.4172 | 0.4419 | 0.4183 |
| 实施例2 | 0.1307 | 0.3855 | 0.5407 | 0.5024 | 0.4027 |
| 实施例3 | 0.1275 | 0.3470 | 0.4994 | 0.5716 | 0.4908 |
| 实施例4 | 0.1186 | 0.3691 | 0.3718 | 0.3719 | O.3491 |
表7 实施例13～16配方(质量份)
| 组分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 水性聚氨酯分散体 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 固化剂异氰酸酯 | 35 | 35 | 35 | 35 |
| 钛酸铅粉末 | 30 | 100 | 150 | 200 |
| 导电炭黑 | 0.5 | 2.0 | 3.5 | 5.0 |
| 分散剂BYK-180 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 消泡剂BYK-019 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 抗油剂PFl04 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1.0 |
表8 压电阻尼涂料在各温度下的阻尼损耗因子(tanδ)值(频率足100Hz，测试执行标准GJB981-1990)
| -50℃ | 10℃ | 26℃ | 60℃ | 100℃ | |
| 实施例1 | 0.1208 | 0.3261 | 0.3695 | 0.42167 | 0.3989 |
| 实施例2 | 0.1244 | 0.4159 | 0.5060 | 0.4739 | 0.3756 |
| 实施例3 | 0.1201 | 0.3231 | 0.4841 | 0.5391 | 0.4630 |
| 实施例4 | 0.1179 | 0.3253 | 0.3529 | 0.3318 | 0.3471 |
表9 实施例17～20配方(质量份)
| 组分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 酚醛树脂溶液 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 固化剂对甲基苯磺酸 | 8 | 8 | 8 | 8 |
| 钛酸铅粉末 | 30 | 100 | 150 | 200 |
| 导电炭黑 | 0.5 | 2 | 3.5 | 5 |
| 分散剂BYK-180 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 消泡剂BYK-019 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 稀释剂104 | 10 | 16 | 20 | 24 |
表10 压电阻尼涂料在各温度下的阻尼损耗因子(tanδ)值(频率是100Hz，测试执行标准GJB981-1990)
| 一50℃ | 10℃ | 26℃ | 60℃ | 100℃ | |
| 实施例1 | 0.1250 | 0.3198 | 0.3461 | 0.4043 | 0.3619 |
| 实施例2 | 0.1304 | 0.3976 | 0.4672 | 0.4481 | 0.3495 |
| 实施例3 | 0.1291 | 0.3208 | 0.4603 | 0.5047 | 0.4467 |
| 实施例4 | 0.1237 | 0.3183 | 0.3419 | 0.3168 | O.3284 |
表11 实施例21～24配方(质量份)
| 组分 | 实施例l | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 醇酸清漆 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 钛酸铅粉末 | 30 | 100 | 150 | 200 |
| 导电炭黑 | 0.5 | 2 | 3.5 | 5 |
| 分散剂BYK-180 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 消泡剂BYK-019 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 稀释剂104 | 10 | 16 | 20 | 24 |
表12 压电阻尼涂料在各温度下的阻尼损耗因子(tanδ)值(频率是100Hz，测试执行标准GJB981-1990)
| 一50℃ | 10℃ | 26℃ | 60℃ | 100℃ | |
| 实施例1 | 0.1209 | 0.3751 | 0.3940 | 0.4196 | 0.4061 |
| 实施例2 | 0.1267 | 0.4311 | 0.5183 | 0.4727 | 0.3816 |
| 实施例3 | 0.1283 | 0.3361 | 0.4561 | 0.5097 | 0.4794 |
| 实施例4 | 0.1181 | 0.3472 | 0.3654 | 0.3186 | 0.3643 |
表13 实施例25～28配方(质量份)
| 组分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 醋酸乙烯乳胶漆 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 钛酸铅粉末 | 30 | 100 | 150 | 200 |
| 导电炭黑 | 0.5 | 2 | 3.5 | 5 |
| 分散剂六偏磷酸钠 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 |
| 消泡剂磷酸三丁酯 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 |
| 防霉剂JC962 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 |
表14 压电阻尼涂料在各温度下的阻尼损耗因子(tanδ)值(频率是100Hz，测试执行标准GJB981-1990)
| -50℃ | 10℃ | 26℃ | 60℃ | 100℃ | |
| 实施例1 | 0.1124 | 0.3851 | 0.4109 | 0.4671 | 0.4813 |
| 实施例2 | 0.1208 | 0.4934 | 0.5568 | 0.5167 | 0.3971 |
| 实施例3 | 0.1183 | 0.4261 | 0.5168 | 0.7816 | 0.5982 |
| 实施例4 | 0.1146 | 0.3867 | 0.3975 | 0.4137 | O.4602 |
Claims (7)
1.一种有机压电阻尼涂料，其特征在于按质量含有：树脂基料100份，压电陶瓷粉30～200份，导电炭黑0.5～5份，助剂0.5～50份。
2.根据权利要求1所述的有机压电阻尼涂料，其特征在于所述树脂基料采用环氧树脂清漆、不饱和树脂清漆、丙烯酸清漆、聚氨酯清漆、酚醛清漆、醇酸树脂漆、醋酸乙烯乳胶漆中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的有机压电阻尼涂料，其特征在于所述压电陶瓷粉为锆钛酸铅压电陶瓷粉、钛酸铅压电陶瓷粉、三元系压电陶瓷粉、无铅压电陶瓷粉K1-xNaxNbO3中的一种或几种，分子式中0.1<x<1。
4.根据权利要求1所述的有机压电阻尼涂料，其特征在于所述助剂采用分散剂、稀释剂、消泡剂、催干剂、流平剂、润湿剂、防霉剂、抗油剂中的一种或几种。
5.权利要求1至4中任一权利要求所述有机压电阻尼涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：按配方比例称量树脂基料、压电陶瓷粉和导电炭黑，将其混合、分散后加入助剂，经搅拌均匀混合、成型后得到压电有机涂料，然后将该涂料在高压直流油浴电场中进行极化。
6.根据权利要求5所述的有机压电阻尼涂料的制备方法，其特征在于所述混合后的分散方法为超声波分散法，采用的工艺条件是：温度90℃，频率为60～90Hz，震荡时间为3～4个小时。
7.根据权利要求5所述的有机压电阻尼涂料的制备方法，其特征在于所述极化条件为：油浴加热，极化温度为80～120℃；极化电压为8～12kV/mm；极化时间为20～30min。
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