CN105062042A - 一种混合型聚氨酯压电阻尼材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种聚偏氟乙烯（PVDF）/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料及其制备方法，属于压电阻尼复合材料制备领域。首先利用双螺杆挤出法及高温拉伸法制备PVDF压电颗粒，然后将其加入质量比4：6为聚酯-聚醚混合型聚氨酯预聚体中，再在交联剂作用下制备出聚偏氟乙烯（PVDF）/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料。其利用PVDF的压电性使机械振动更多的转化为了电能，提高了材料的阻尼效果，且由于PVDF与聚氨酯的部分互容性以及聚氨酯内部聚酯-聚醚构成的多相结构使材料具备更宽的阻尼温域，此外该方法产品性能稳定，易工业化生产，可制备浇注型热固性弹性体、涂料及胶黏剂等产品。

Description

一种混合型聚氨酯压电阻尼材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高分子阻尼材料及其制备方法，特别是涉及一种聚偏氟乙烯/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料及其制备方法。
背景技术
在科技和社会飞速发展的今天，大型机电设备已被广泛的应用到国民生活的各个领域，它虽然给人们带来生活上的便利和经济上的财富，但同时也来带了让人们烦恼的“噪声污染”问题。而且由振动所产生的疲劳、扭曲等效应还能严重地影响设备/装备运行的稳定性、可靠性及寿命，此外在军事、航天领域，吸音降噪也是一个不容忽视的问题，因此降噪减振是一个必须予以解决的重要技术问题。
对于粘弹性阻尼材料来说，当高聚物与振动物体相接触时，高聚物材料的分子链运动、内摩擦力以及大分子链之间物理键的不断破坏与再生必然吸收一定量的振动能量，使之变成热能，结果使振动受到阻尼作用，但均聚物的玻璃化转变区域较窄，仅有20~30℃，所以有效阻尼温域也较窄。为了扩宽阻尼温域，在阻尼高聚物材料的设计方面出现了通过将两（多）种性能差异较大的高聚物共混、共聚、接枝及构造互穿聚合物网络（IPN）结构等方法来制备宽温域阻尼材料。QihuaWang等人[8]制备了聚四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇（PTHFG-POG）型PU/EP阻尼材料，其阻尼温域（tan>0.3）在50Hz频率下达52.4℃。而为了提高材料的损耗因子，ChifeiWu等人将受阻酚加入到氯化聚乙烯中使制备的阻尼材料损耗因子大幅提升，最大损耗因子接近2.0。中国专利CN102408701A公开了一种将压电陶瓷粉（PZT或PMN）加入热塑性聚氨酯中来提高材料阻尼性能，但其仍无法解决阻尼温域较窄的弊病，而在实际应用中，往往需要材料既具有较高的损耗因子又具有较宽的阻尼温域，这样才能满足对更宽频率波段、更高效阻尼效果的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合型聚氨酯压电阻尼材料及其制备方法，该方法采用PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料，利用PVDF的压电性使机械振动更多的转化为了电能，提高了材料的阻尼效果，产品性能稳定、易工业化生产，可制备浇注型热固性弹性体、涂料及胶黏剂等产品。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种新型聚偏氟乙烯（PVDF）/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料，该材料由质量比为10%~50%的PVDF和90%~50%的聚酯-聚醚混合型聚氨酯组成，所述的聚酯-聚醚混合型聚氨酯是由聚酯性多元醇（聚四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇，PTHFG-POG）和聚醚型多元醇（聚已二酸乙二丙二醇酯，PEPA）构成的软段，由二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI）构成的硬段，所述的压电材料为聚偏氟乙烯。
所述的一种新型PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料，所述PVDF为直径在0.3~0.6mm，长径比为5~100的纤维。
本发明的PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）PVDF纤维的制备：将经过70℃真空干燥12小时的PVDF粉末经双螺杆挤出，挤出的熔融共混物在水冷后拉丝，呈长纤维状，随后将PVDF长纤维在100℃的热水浴中进行0.3~1倍的拉伸处理，之后切割造粒；
（2）聚氨酯预聚体的制备：将PTHFG-POG与PAPI混合，-NCO与-OH的比例为2:1，在氮气保护条件下，温度70℃反应6小时，制成聚醚型聚氨酯预聚体，分析NCO%的含量；另一方面将PEPA与MDI混合，-NCO与-OH的比例为2:1，同样在氮气保护条件下，温度70℃反应6小时，制成聚酯型聚氨酯预聚体，分析NCO%的含量；
（3）PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料的制备：将聚酯型聚氨酯预聚体和聚醚型聚氨酯预聚体按照质量比4：6混合，之后将10%~50%的PVDF放入混合型聚氨酯预聚体中，并将交联剂3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷或二邻氯二苯胺甲烷（MOCA）按照残余异氰酸根含量计算加入量，放入聚氨酯预聚体混合物中，在40~60℃充分搅拌条件下反应10分钟，之后倒入模具中，最后在70~90℃真空干燥12小时，制得PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料。
所述的一种PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料需经极化处理，极化条件为：极化温度70~100℃，极化电场5~10kv/mm，极化时间10~30分钟。
本发明的优点与效果是：
本发明的PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料，利用PVDF的压电性使机械振动更多的转化为了电能，提高了材料的阻尼效果，使材料的阻尼峰值达到1.45，且由于PVDF与聚氨酯的部分互容性，以及聚氨酯内部聚酯-聚醚构成的多相结构使材料的阻尼温域达到152℃，此外该方法产品性能稳定，易工业化生产，可制备浇注型热固性弹性体、涂料及胶黏剂等产品。
附图说明
图1为本发明的制备流程图；
图2为本发明PVDF含量对聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料阻尼温域的影响图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
图1为新型聚醚-聚酯聚氨酯/环氧阻尼复合材料制备流程
(1)首先将PVDF粉末在真空烘箱中，70℃条件下烘干12小时，然后将干燥后的PVDF加入双螺杆挤出机中，各加热段温度设定为，前段200℃、中段240℃、后段270℃、喷嘴270℃，经水冷拉丝后呈长纤维状，随后再将PVDF在长纤维100℃的热水浴中进行1倍的拉伸处理，之后切割造粒成直径为0.3mm，长径比为10的PVDF短纤维。
(2)将聚酯多元醇PTHFG-POG（羟值53.8mgKOH/g）加入脱水釜中，加热至100℃，真空脱水1小时；之后在氮气保护下，搅拌连续加入PAPI的二异氰酸酯（预设NCO%含量为5%）到预聚体反应釜中，使温度升至80℃，反应1小时，降温至40℃，制得聚醚聚氨酯预聚体。
(3)将聚酯多元醇PEPA（羟值60.3mgKOH/g）加入脱水釜中，加热至110℃，真空脱水1小时；之后在氮气保护下，搅拌连续加入MDI的二异氰酸酯（预设NCO%含量为5%）到预聚体反应釜中，使温度升至80℃，反应1小时，降温至40℃，制得聚醚聚氨酯预聚体。
(4)将聚酯预聚体和聚醚预聚体按质量比4:6进行混合，然后将50%的PVDF加入反应釜中，加热混合预聚体至80℃，测定实际NCO%的残余量为4.8±3%；搅拌加入已经预熔好的扩练剂MOCA（100克预聚体中加入的MOCA用量（g）为WMOCA=3.18×NCO%×100×F,F为扩链系数[NH2]/[NCO],一般取0.9）；80℃充分搅拌条件下反应10分钟，之后倒入已经预热80℃的模具中，最后在90℃真空干燥12小时，制得PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料。
(5)将制得的样品在高压直流油浴装置中进行极化，极化条件为：极化温度70℃，极化电场5KV/mm，极化时间30分钟，即得极化后的PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料。
(6)PVDF的含量对压电阻尼材料机械性能的影响如表1
(7)动态力学分析结果表明，未添加PVDF的聚酯-聚醚混合型聚氨酯虽获得了较宽的阻尼温域，但是其阻尼峰值普遍较低，如图2所示：当PVDF含量逐渐增加时，压电阻尼材料的阻尼峰值明显增加，当PVDF含量达到40%时，材料的阻尼峰值甚至达到了1.45，比未添加PVDF时提升了34.3%，并且此时材料的阻尼温域为-12℃～140℃，使材料既具有较高的阻尼峰值，又具有较宽的阻尼温域，符合高性能阻尼材料的要求。
表1PVDF含量对压电阻尼材料机械性能的影响

Claims (4)

1.一种混合型聚氨酯压电阻尼材料，其特征在于，所述材料由质量比为10%~50%的聚偏氟乙烯（PVDF）和90%~50%的聚酯-聚醚混合型聚氨酯组成，聚酯-聚醚混合型聚氨酯是由聚酯性多元醇（聚四氢呋喃-氧化丙烯共聚二醇，PTHFG-POG）和聚醚型多元醇（聚已二酸乙二丙二醇酯，PEPA）构成的软段，由二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI）构成的硬段，压电材料为聚偏氟乙烯。
2.根据权利要求1所述的一种混合型聚氨酯压电阻尼材料，其特征在于，所述PVDF为直径在0.3~0.6mm，长径比为5~100的纤维。
3.一种混合型聚氨酯压电阻尼材料制备方法，其特征在于，所述方法包括以下制备过程：
1）PVDF纤维的制备：将经过70℃真空干燥12小时的PVDF粉末经双螺杆挤出，双螺杆加热段温度设定为200~290℃，挤出的熔融共混物在水冷后拉丝，呈长纤维状，随后将PVDF长纤维在100℃的热水浴中进行0.3~1倍的拉伸处理，之后经水冷切割造粒；
2）聚氨酯预聚体的制备：将PTHFG-POG与PAPI混合，-NCO与-OH的比例为2:1，在氮气保护条件下，温度70℃反应6小时，制成聚醚型聚氨酯预聚体，分析NCO%的含量；另一方面将PEA与MDI混合，-NCO与-OH的比例为2:1，同样在氮气保护条件下，温度70℃反应6小时，制成聚酯型聚氨酯预聚体，分析NCO%的含量；
3）PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料的制备：将聚酯型聚氨酯预聚体和聚醚型聚氨酯预聚体按照4：6混合，之后将10%~50%的PVDF放入混合型聚氨酯预聚体中，并将交联剂3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷或二邻氯二苯胺甲烷（MOCA）按照计算加入量，放入聚氨酯预聚体混合物中，在40~60℃充分搅拌条件下反应10分钟，之后倒入模具中，最后在70~90℃真空干燥12小时，制得PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料。
4.根据权利要求3所述的一种混合型聚氨酯压电阻尼材料制备方法，其特征在于，所述方法制得PVDF/聚酯-聚醚混合型聚氨酯压电阻尼材料需经极化处理，极化条件为：极化温度70~100℃，极化电场5~10kv/mm，极化时间10~30分钟。
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