CN108117631B - 浇注型阻尼材料 - Google Patents

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Abstract

浇注型阻尼材料，所述复合阻尼材料由A、R两个组分按照重量比0.9:1.1反应得到。所述A组分是由35‑60重量份的低官能度多异氰酸酯和50‑70重量份聚醚多元醇合成的半预聚物。所述R组份按重量份数计，由以下组份组成：15‑60份二胺扩链剂，10‑75份聚醚胺，10‑70份聚醚多元醇，1‑30份金属硅粉，1‑30份助剂。所述二胺扩链剂由仲胺组成，由于其反应活性较伯胺更低，因此其凝胶时间更长，有利于浇注型阻尼材料对反应时间的控制。将处理过的金属硅粉掺杂在R组分中，在与A组分发生反应时，在阻尼复合材料中形成三维网状结构，对粘弹阻尼复合材料的力学性能、热稳定性均有所提高。

Description

浇注型阻尼材料
技术领域
本发明属于建筑领域，涉及一种浇注阻尼复合材料及其制备方法，具体地说，涉及一种将表面修饰的金属硅粉添加到现有浇注型阻尼材料中制成的复合阻尼材料及其制备方法。
背景技术
浇注型阻尼材料是向模腔中浇注液体反应混合物而生成制品的化学体系，在实际工程中应用量非常大。通过向阻尼材料中加入填料制成复合体系，可以显著提高体系的阻尼性能。研究人员对复合阻尼材料体系也做出了大量的研究工作，Fujimoto等发现由单向碳纤维、环氧树脂、聚乙烯组成的“三明治(Sandwich)”结构，其内耗值比传统的CFRP提高了5-50倍，并且其内耗值可以根据需要进行设计。Gu Jian等制备了飞灰-环氧树脂复合材料，并对材料进行了阻尼性能测试。测试结果表明，当复合材料中飞灰体积比为30％-50％时，tanδ在玻璃化温度达到最大值；并且，tanδ随着频率的提高而逐渐变小，这说明此类材料的阻尼性能得到了改善。Hajime等将碳纤维填充到环氧树脂体系基体，发现复合材料的阻尼效果明显增大，说明向高聚物中加入纤维类材料能够有效提升阻尼性能。黄微波等(ZL201510925143.8)在现有粘弹阻尼材料的基础上加入了插层石墨微阻尼器，起到了增加阻尼性能的作用。
刘铁军等(发明专利申请201010184544.X)提出了硅粉的硅烷化处理方法，并将硅烷化的硅粉加入到混凝土中制备成高阻尼混凝土。该发明通过在普通混凝土材料中掺入硅烷化硅粉后提高了混凝土材料和结构的阻尼性能，从而实现了混凝土结构自身抗震能力的增强。然而，该发明所述硅烷化的硅粉为二氧化硅，硅烷偶联剂对硅粉的包裹为物理吸附；因此，在受到激振时，二氧化硅颗粒与硅烷偶联剂之间只能通过相对滑移和摩擦来进行耗能，难以对周围的高分子结构造成剪切作用而耗能，从而限制了其阻尼性能的提高。此外，由于混凝土为刚性材料，本身在振动条件下不存在明显的形变，不会发生剪切变形；只能够通过二氧化硅颗粒与硅烷偶联剂之间的相对位移进行耗能，这也进一步限制了其阻尼性能的提高。
发明内容
针对现有浇注型阻尼材料的现状，本发明所述的浇注型阻尼材料中，通过金属硅粉与硅烷偶联剂的化学结合，实现了受到激振时金属硅粉对高分子材料的剪切耗能，大大提高了其阻尼性能。
本发明的技术方案：
浇注型阻尼材料，所述复合阻尼材料由A、R两个组分按照重量比0.9:1.1反应得到。所述A组分是由35-60重量份的低官能度多异氰酸酯和50-70重量份聚醚多元醇合成的半预聚物。所述R组份按重量份数计，由以下组份组成：15-60份二胺扩链剂，10-75份聚醚胺，10-70份聚醚多元醇，1-30份金属硅粉，1-30份助剂。所述二胺扩链剂由仲胺组成，由于其反应活性较伯胺更低，因此其凝胶时间更长，有利于浇注型阻尼材料对反应时间的控制。所述金属硅粉的表面经过硅烷化处理；通过硅烷化改性，可以在硅粉表面引入大量的端氨基。将处理过的金属硅粉掺杂在R组分中，在与A组分发生反应时，由于氨基与异氰酸酯反应的活性远大于羟基，经过表面修饰的硅粉会首先与二异氰酸酯的一个异氰酸酯官能团发生键合，在硅烷化金属硅粉表面形成大量脲键，二异氰酸酯中的另一个异氰酸酯官能团还可以继续与R组分中的聚醚多元醇等成分发生反应，从而在阻尼复合材料中形成三维网状结构，对粘弹阻尼复合材料的力学性能、热稳定性均有所提高。
所述金属硅粉的表面经过硅烷化处理，具体步骤为：(1)在氮气环境下对金属硅粉进行等离子体表面活化；称取适量表面活化的金属硅粉，在搅拌条件下缓慢加入到一定量的硅烷偶联剂甲醇溶液中；所述金属硅粉粒径为200目-800目，所述硅烷偶联剂甲醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为0.5～5％。(2)室温下搅拌反应2～8小时，使金属硅粉表面完成硅烷化反应；(3)经过过滤、洗涤和真空干燥后，即得到表面修饰的金属硅粉。其中，所述硅烷偶联剂为表面带有氨基或羟基官能团的硅烷偶联剂，具体为N-氨乙基-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷。
硅烷偶联剂是通过化学键合的方法对金属硅粉进行包裹，在受到激振时，通过化学键合的金属硅粉更有利于对硅烷偶联剂和浇注型阻尼材料进行剪切耗能。与分子滑移和摩擦耗能相比，剪切耗能的效果更加明显。其次，粘弹阻尼材料为柔性材料，在振动条件下存在拉压、剪切等形变，因此，浇注型阻尼材料与金属硅粉之间也存在微观的剪切界面，从而大大提高了复合材料的阻尼性能。而混凝土则不会被剪切变形。此外，与对比文件中采用的二氧化硅颗粒相比，本申请采用的金属硅粉的比重更大，更有利于对硅烷偶联剂和浇注型阻尼材料的剪切耗能。
所述低官能度多异氰酸酯的官能度为2-4，所述聚醚多元醇的官能度为2-4；所述二胺扩链剂的官能度为2，所述聚醚胺的官能度为2-4。所述二胺扩链剂为N,N’-二异丁基甲基二苯胺、N,N’-二异丁基甲基二环己胺、N,N’-二异丁基苯二胺、N,N’-二烷基邻苯二胺和3-氨甲基-3,5,5-三甲基环己基胺中的一种或几种；所述聚醚胺是T3000、D2000和D4000中的一种或几种；所述助剂为稀释剂、防霉剂、水解稳定剂、催化剂、消泡剂中的一种或几种。所述低官能度多异氰酸酯为对四甲基苯亚甲基二异氰酸酯、碳化二亚胺改性二苯甲烷二异氰酸酯、碳化二亚胺改性甲苯二异氰酸酯和四甲基苯二亚甲基异氰酸酯中的一种或几种；所述聚醚多元醇为聚四氢呋喃多元醇、聚ε-己内酯多元醇和聚丁二烯多元醇中的一种或几种。
本发明的有益效果：
1、本发明采用等离子体对金属硅粉表面进行处理，使之表面生成活性官能团，再与硅烷偶联剂发生化学反应。金属硅粉通过化学键合的方式，在粘弹阻尼复合材料中形成三维网状结构，在材料受到振动激励时，不但可以通过浇注型阻尼材料自身的剪切形变来进行耗能，还可以通过金属硅粉对浇注型阻尼材料的局部微观剪切作用来提高耗能，由于金属硅粉含量较多，因此其微观剪切作用所起到的影响十分可观。
2、本发明所述的硅烷化的金属硅粉可以作为填料单独生产，然后添加到R组分中，在浇注的过程中与A组分进行化学反应。因此，整个过程不会影响阻尼复合材料的施工工艺，适合产业化推广，具有广阔的应用前景。
3、本发明在多异氰酸酯与二胺扩链剂等组分的分子结构中，引入了大量的侧甲基；从而增加分子间的内摩擦作用，对材料的阻尼性能具有显著的提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
浇注型阻尼材料，所述复合阻尼材料由A、R两个组分按照重量比0.9:1.1反应得到。
所述A组分是由35重量份对四甲基苯亚甲基二异氰酸酯和55重量份聚四氢呋喃多元醇合成的半预聚物。
所述R组份由以下组份组成：25重量份N,N’-二异丁基甲基二苯胺，35重量份T3000，50重量份聚四氢呋喃多元醇，16重量份金属硅粉，24重量份稀释剂；所述稀释剂为邻苯二甲酸二丁酯，所述二胺扩链剂由仲胺组成，由于其反应活性较伯胺更低，因此其凝胶时间更长，有利于浇注型阻尼材料对反应时间的控制。
其中，所述金属硅粉的表面经过硅烷化处理，具体步骤为：(1)在氮气环境下对金属硅粉进行等离子体表面活化；称取适量表面活化的金属硅粉，在搅拌条件下缓慢加入到质量分数为2％的硅烷偶联剂甲醇溶液中；所述金属硅粉粒径为500目。(2)室温下搅拌反应4小时，使金属硅粉表面完成硅烷化反应；(3)经过过滤、洗涤和真空干燥后，即得到表面修饰的金属硅粉。所述硅烷偶联剂为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。
实施例2：
与实施例1不同的是，
浇注型阻尼材料，所述复合阻尼材料由A、R两个组分按照重量比0.9:1.1反应得到。
所述A组分是由40重量份碳化二亚胺改性二苯甲烷二异氰酸酯和60重量份聚ε-己内酯多元醇合成的半预聚物。
所述R组份由以下组份组成：35重量份N,N’-二异丁基甲基二环己胺，50重量份D2000，60重量份聚ε-己内酯多元醇，22重量份金属硅粉，30重量份防霉剂。所述防霉剂为8-羟基喹啉酮。
其中，所述金属硅粉的表面经过硅烷化处理，具体步骤为：(1)所述硅烷偶联剂甲醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为3％的；所述金属硅粉粒径为600目；所述硅烷偶联剂为N-氨乙基-γ-氨丙基三乙氧基硅烷。(2)室温下搅拌反应5小时，使金属硅粉表面完成硅烷化反应；(3)过滤、洗涤和真空干燥后，即得到表面修饰的金属硅粉。
实施例3：
与实施例1不同的是，
浇注型阻尼材料，所述复合阻尼材料由A、R两个组分按照重量比0.9:1.1反应得到。
所述A组分是由45重量份的碳化二亚胺改性甲苯二异氰酸酯和65重量份聚丁二烯多元醇合成的半预聚物。
所述R组份由以下组份组成：45重量份N,N’-二异丁基苯二胺，60重量份D4000，70重量份聚丁二烯多元醇，30重量份金属硅粉，1重量份水解稳定剂。所述水解稳定剂为4-叔丁基邻苯二酚。
其中，所述金属硅粉的表面经过硅烷化处理，具体步骤为：(1)所述硅烷偶联剂甲醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为4％的；所述金属硅粉粒径为700目；所述硅烷偶联剂为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷。(2)室温下搅拌反应6小时，使金属硅粉表面完成硅烷化反应；(3)过滤、洗涤和真空干燥后，即得到表面修饰的金属硅粉。
实施例4：
与实施例1不同的是，
浇注型阻尼材料，所述复合阻尼材料由A、R两个组分按照重量比0.9:1.1反应得到。
所述A组分是由50重量份的四甲基苯二亚甲基异氰酸酯和70重量份聚四氢呋喃多元醇合成的半预聚物。
所述R组份由以下组份组成：55重量份3-氨甲基-3,5,5-三甲基环己基胺，35重量份T3000、40重量份D2000，10重量份聚丁二烯多元醇，1重量份金属硅粉，5重量份催化剂。所述催化剂为N,N-二甲基苄胺。
其中，所述金属硅粉的表面经过硅烷化处理，具体步骤为：(1)所述硅烷偶联剂甲醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为5％的；所述金属硅粉粒径为800目；所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷。(2)室温下搅拌反应7小时，使金属硅粉表面完成硅烷化反应；(3)过滤、洗涤和真空干燥后，即得到表面修饰的金属硅粉。
实施例5：
与实施例1不同的是，
浇注型阻尼材料，所述复合阻尼材料由A、R两个组分按照重量比0.9:1.1反应得到。
所述A组分是由30重量份的碳化二亚胺改性二苯甲烷二异氰酸酯、25重量份碳化二亚胺改性甲苯二异氰酸酯和50重量份聚ε-己内酯多元醇合成的半预聚物。
所述R组份由以下组份组成：30重量份N,N’-二异丁基甲基二苯胺、30重量份N,N’-二异丁基甲基二环己胺，10重量份D4000，25重量份聚ε-己内酯多元醇，6重量份金属硅粉，11重量份消泡剂。所述消泡剂为磷酸三丁酯。
其中，所述金属硅粉的表面经过硅烷化处理，具体步骤为：(1)所述硅烷偶联剂甲醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为0.5％的；所述金属硅粉粒径为200目；所述硅烷偶联剂为N-氨乙基-γ-氨丙基三乙氧基硅烷。(2)室温下搅拌反应8小时，使金属硅粉表面完成硅烷化反应；(3)过滤、洗涤和真空干燥后，即得到表面修饰的金属硅粉。
实施例6：
与实施例1不同的是，
浇注型阻尼材料，所述复合阻尼材料由A、R两个组分按照重量比0.9:1.1反应得到。
所述A组分是由60重量份的四甲基苯二亚甲基异氰酸酯和60重量份聚四氢呋喃多元醇、和聚丁二烯多元醇合成的半预聚物。
所述R组份由以下组份组成：15重量份3-氨甲基-3,5,5-三甲基环己基胺，25重量份D2000，40重量份聚丁二烯多元醇，10重量份金属硅粉，10重量份稀释剂，8份消泡剂。所述稀释剂为碳酸丙酯，所述消泡剂为正丁醇。
其中，所述金属硅粉的表面经过硅烷化处理，具体步骤为：(1)所述硅烷偶联剂甲醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为1％的；所述金属硅粉粒径为350目；所述硅烷偶联剂为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷。(2)室温下搅拌反应2小时，使金属硅粉表面完成硅烷化反应；(3)过滤、洗涤和真空干燥后，即得到表面修饰的金属硅粉。
对实施例1-6制备的喷涂型阻尼材料进行检测，所得结果如下表所示：
表1.实施例1-6制备的喷涂型阻尼材料的性能参数
项目 指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
阻尼损耗因子 ≥0.07 0.080 0.087 0.090 0.070 0.074 0.076
拉伸强度 ≥10MPa 12.5 13.2 14.0 11.2 11.8 12.3
断裂伸长率 ≥500％ 570 610 680 520 550 570
撕裂强度 ≥55KN/m 56 57 59 55 56 57
粘结强度 ≥2.0MPa 2.2 2.2 2.4 2.1 2.2 2.3
硬度，邵A 60～98，可调 67 68 67 70 72 73
冲击强度(Kg) 50 52 54 55 52 52 53
凝胶时间 ≤60s 50 51 50 50 52 50
摩擦系数 0.85～0.96 0.88 0.91 0.93 0.86 0.86 0.88
综上所述：实施例1-6制备的喷涂型阻尼材料的阻尼损耗因子为0.07-0.09；拉伸强度均≥11.2MPa，断裂伸长率≥520％，撕裂强度≥55KN/m，粘结强度≥2.1MPa，冲击强度≥52Kg，凝胶时间≤52s。因此，本发明制备得到的阻尼材料，与现有的阻尼材料相比，性能得到了显著的提成，将对实际生产具有非常重要的意义。

Claims (9)

1.浇注型阻尼材料，所述阻尼材料由A、R两个组分按照重量比0.9:1.1反应得到；其特征在于：所述A组分是由35-60重量份的低官能度多异氰酸酯和50-70重量份聚醚多元醇合成的半预聚物；所述R组份按重量份数计，由以下组份组成：15-60份二胺扩链剂，10-75份聚醚胺，10-70份聚醚多元醇，1-30份金属硅粉，1-30份助剂；所述二胺扩链剂由仲胺组成；所述金属硅粉的表面经过硅烷化处理，具体步骤为：(1)称取适量表面活化的金属硅粉，在搅拌条件下缓慢加入到一定量的硅烷偶联剂甲醇溶液中；(2)室温下搅拌反应一定时间，使金属硅粉表面完成硅烷化反应；(3)处理后即得到表面修饰的金属硅粉。
2.根据权利要求1所述的浇注型阻尼材料，其特征在于：步骤(1)所述金属硅粉粒径为200目-800目。
3.根据权利要求1所述的浇注型阻尼材料，其特征在于：步骤(1)所述硅烷偶联剂为表面带有氨基或羟基官能团的硅烷偶联剂。
4.根据权利要求1所述的浇注型阻尼材料，其特征在于：步骤(1)所述硅烷偶联剂甲醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为0.5～5％。
5.根据权利要求1所述的浇注型阻尼材料，其特征在于：步骤(1)所述金属硅粉的表面活化具体为：在氮气环境下对金属硅粉进行等离子体表面活化；步骤(2)所述硅烷化反应的时间为2～8小时；步骤(3)所述处理具体为过滤、洗涤和真空干燥。
6.根据权利要求1所述的浇注型阻尼材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂为N-氨乙基-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的浇注型阻尼材料，其特征在于：所述低官能度多异氰酸酯的官能度为2-4，所述聚醚多元醇的官能度为2-4；所述二胺扩链剂的官能度为2，所述聚醚胺的官能度为2-4。
8.根据权利要求7所述的浇注型阻尼材料，其特征在于：所述二胺扩链剂为N,N’-二异丁基甲基二苯胺、N,N’-二异丁基甲基二环己胺、N,N’-二异丁基苯二胺、N,N’-二烷基邻苯二胺和3-氨甲基-3,5,5-三甲基环己基胺中的一种或几种；所述聚醚胺是T3000、D2000和D4000中的一种或几种；所述助剂为稀释剂、防霉剂、水解稳定剂、催化剂、消泡剂中的一种或几种。
9.根据权利要求7所述的浇注型阻尼材料，其特征在于：所述低官能度多异氰酸酯为对四甲基苯亚甲基二异氰酸酯、碳化二亚胺改性二苯甲烷二异氰酸酯、碳化二亚胺改性甲苯二异氰酸酯和四甲基苯二亚甲基异氰酸酯中的一种或几种；所述聚醚多元醇为聚四氢呋喃多元醇、聚ε-己内酯多元醇和聚丁二烯多元醇中的一种或几种。
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