CN1693350A

CN1693350A - 一种聚合物基阻尼材料

Info

Publication number: CN1693350A
Application number: CN 200410018147
Authority: CN
Inventors: 张�诚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-05-09
Filing date: 2004-05-09
Publication date: 2005-11-09

Abstract

本发明涉及一种阻尼材料，尤其涉及一种聚合物基阻尼材料，其结构由多个层次组成，各层次在结构上具有相似性。它由聚合物和m个叠层复合体组成，叠层复合体由n个纳米约束阻尼型结构体排列组成；其中纳米约束阻尼型结构体是由聚合物阻尼单元运用插层方法插入到层状无机纳米材料层间制得的。试验结果证明本发明在提高材料的阻尼效果上是十分明显的。在减震防噪工程领域具有广泛的应用前景。

Description

一种聚合物基阻尼材料

技术领域

本发明涉及一种阻尼材料，尤其涉及聚合物基阻尼材料的结构。

背景技术

聚合物是一类传统的吸振材料，其吸振机理基于粘弹阻尼，即当聚合物受到交变应力作用产生变形时，在其玻璃化转变温度Tg附近，由于分子内部及分子间的内摩擦使振动机械能变换为热能而消耗，从而达到吸振降噪的目的。因此，如何增大分子内部及分子间的内摩擦成为提高减振降噪阻尼性能的关键。近年来，人们将纳米级的无机填料通过各种特殊的方法填充到聚合物基体中，利用纳米粒子的尺寸效应、大的比表面积以及强的界面相互作用达到提高聚合物力学性能或具有特殊的磁、光、声、电、热等功能的目的。日本东京工业大学住田雅夫教授提出将纳米压电陶瓷粒子与导电炭黑共混到聚合物中，制备压电导电型聚合物基吸振复合材料的设想。该设想的材料吸振机理基于振动机械能→电能→热能的转换损耗而非传统的粘弹阻尼，故不依赖于聚合物的玻璃化转变，理论上可以用任何一种聚合物作为基体，可以拓展其应用温度范围。尽管压电导电型聚合物基吸振复合材料从原理上讲，具有传统聚合物阻尼材料无可比拟的优越性，但由于无机压电粒子与聚合物基体之间的不匹配，无机压电粒子与聚合物基体之间形成的内摩擦作用有限，因此在提高吸振阻尼效果上也是很有限的。而近年来兴起的纳米插层复合技术主要应用于提高材料的力学性能(比如提高材料的强度、韧性)和提高材料的汽液阻隔性能。但用于阻尼材料，特别是使其具有本发明所提出的“多重约束型阻尼结构“来提高阻尼性能，尚未见文献和应用报道。

发明内容

为了克服上述技术中的聚合物大分子内部及分子间的内摩擦作用力小或者大分子和添加剂之间的摩擦力有限的缺陷，本发明通过改变聚合物基阻尼材料的内部结构，提供一种损耗模量大、加工方便、减振降噪效果好的阻尼材料。

本发明的一种聚合物基阻尼材料，其结构由多个层次组成，各层次在结构上具有相似性。它由聚合物和m个叠层复合体组成，叠层复合体由n个纳米约束阻尼型结构体排列组成；其中纳米约束阻尼型结构体是由聚合物阻尼单元运用插层方法插入到层状无机纳米材料层间制得的。其中层状无机纳米材料至少选自云母、石墨、二硫化钼、一氮化硼、蒙脱土、高岭土层状硅酸盐或各种人工合成的层状无机纳米材料的一种。聚合物阻尼单元至少选自单种聚合物、2种或2种以上的聚合物混合体、聚合物和功能性添加剂混合体或聚合物互贯网络结构体中的一种。

上述聚合物应至少选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、氯化聚乙烯、聚氯乙烯、氟化聚烯烃、聚偏二氟乙烯、天然橡胶、合成橡胶和各类热塑性弹性体中的一种。功能性添加剂至少选自一种化合物或低聚物，其官能团至少含有羟基、羧基、氨基、羰基或氟、氯、溴、氧、硫、氮杂原子中的一种。

本发明的插层方法一般选自熔体插层、溶液插层和原位聚合插层方法中的一种。

本发明的聚合物阻尼单元通过运用插层方法插入到层状无机纳米材料层间，整个的高分子链在层状无机纳米材料层间与层片形成较强力的铰合，构成一个纳米约束阻尼型结构体(如图1中C所示)。在受到外力的作用时，层片与聚合物阻尼单元之间由于摩擦并转化为热，在很大程度上提高了阻尼性能。同时在本发明聚合物阻尼单元中还可以加入功能性添加剂，加入该添加剂的主要目的一方面是使聚合物和功能性添加剂形成超分子组装体，微共晶结构阻碍了聚合物分子链的运动，使玻璃化转变温度向室温区域移动，起到调节阻尼峰位置的作用。另一方面功能性添加剂也具有插层剂的作用，有利于聚合物阻尼单元插入到层状无机纳米材料层间。

上述发明所述的一种聚合物基阻尼材料的结构，由于采用了n个纳米约束阻尼型结构体排列组成本结构的叠层复合体，m个叠层复合体分布在聚合物基体中构成本发明聚合物基阻尼材料的结构。整个阻尼材料的结构由多个层次组成，而且各层次在结构上具有相似性，后一层次是前一层次的缩影(数学上称为分形结构)。这样就大大地提高了材料的阻尼效果。试验结果也证明了本发明在提高材料的阻尼效果上是十分明显的。

附图说明

图1为本发明实施例多重约束阻尼型材料内部结构示意图，

其中：

a为宏观约束阻尼型结构的示意图；

b为a中分散在聚合物基体中的叠层复合体的结构示意图；

c为b中构成叠层复合体的纳米约束阻尼型结构体的结构示意图；

d为c中聚合物阻尼单元结构的示意图；

图2为本发明实施例和比较例1、2的损耗模量比较示意图。

具体实施方式

下面结合图1对本发明的实施例做进一步说明。

本实施例采用的材料：

层状无机纳米材料采用MCA-6 1000目的云母，聚合物阻尼单元采用丙烯酸酯类弹性体(ARTPE)和功能性添加剂4，4’-硫代-双(3-甲基-6-叔丁基苯酚)(BPSR)的混合体。

首先使用双辊开炼机，在70-90℃下将100g聚合物基体ARTPE混炼5分钟，再与60g BPSR共混10分钟，然后将200g云母加入该混合物，并在70-90℃充分混合10分钟，进行熔体插层，然后在19.6MPa的压力下模塑10分钟，随后骤冷到水中，得到厚度为2毫米的阻尼片材。宏观约束阻尼型结构如图1的a所示，a中的分散在聚合物基体中的叠层复合体的结构如图1的b所示，b中构成叠层复合体的纳米约束阻尼型结构如图1的c所示，c中的阻尼单元结构如图1的d所示。从图1的a和c可看出他们的结构非常相似。

材料的损耗模量评估结果在图2中曲线实施例所示，最终的阻尼效果(阻尼损耗因子η₂)在表1中给出。

为了说明本发明在提高材料的阻尼特性上具有明显的效果，在这里还采用了2个比较例及其测定结果对本发明的效果进行了详细的说明。比较例所采用的材料相同于实施例采用的材料。

比较例1

首先使用双辊开炼机，在70-90℃下将130g聚合物基体ARTPE混炼10分钟。然后在19.6MPa的压力下模塑10分钟，随后骤冷到水中，得到厚度为2毫米的阻尼片材。损耗模量评估结果在图2曲线比较例1所示，最终的阻尼效果(阻尼损耗因子)在表1中给出。

比较例2

首先使用双辊开炼机，在70-90℃下将100g聚合物基体ARTPE混炼10分钟，再与60g BPSR共混10分钟，然后在19.6MPa的压力下模塑10分钟，随后骤冷到水中，得到厚度为2毫米的阻尼片材。损耗模量评估结果如图2中曲线比较例2所示，最终的阻尼效果(阻尼损耗因子)在表1中给出。

表1 阻尼材料损耗因子

试件编号	比较例1	比较例2	实施例1
试件编号	比较例1	比较例2	实施例1	损耗因子η₂	0.34	0.43	0.84

以上是实施例、比较例1和比较例2的测试结果。从图2和表1中可以看出，实施例的材料的损耗模量、最终的阻尼损耗因子均较比较例的材料有明显的提高。

以上的实施例和比较例阻尼材料的损耗模量(E″)通过动态力学分析仪(DMA)来评估。测定中采用英国Triton Technology Ltd.生产的Tritech 2000DMA，在1Hz的频率下和3℃/min的加热速率下，由-20℃至100℃，以拉伸模式来确定。

最终的阻尼性能评价阻尼损耗因子的测定由上海同济大学声学研究所按以下方法测定：

1.测试试件：两块1mm厚的钢板作为基板，采用悬臂梁方式测量其共振频率及阻尼损耗因子。再将四块阻尼材料(样品)分别粘贴在钢板上，形成自由阻尼结构，采用悬臂梁方式测量此复合结构阻尼损耗因子η。

2.测试依据：国家标准GB/T 16406-1996《声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》参照美国ASTME756-83《测试材料振动阻尼特性的标准方法》

3.测试方法：共振法

4.测试仪器：丹麦BK1022拍频振荡器、丹麦BK2120测试放大器、振动阻尼测试台、ASS321-10MHz频率计数器、丹麦BKMM0002电磁换能器(两个)。

5.材料阻尼损耗因子计算公式：

η_{2} = η \frac{1 + MT}{MT} \frac{1 + 4 MT + 6 {MT}^{2} + 4 {MT}^{3} + M^{2} T^{4}}{3 + 6 T + 4 T^{2} + 2 {MT}^{3} + M^{2} T^{4}}

式中η、η₂分别为阻尼涂层板和阻尼材料的阻尼损耗因子；

M为阻尼材料与金属基板储能弯曲模量的比值

T为阻尼材料和金属基板的厚度比

6.测试条件：室内温度：20℃。

Claims

1，一种聚合物基阻尼材料，其特征在于该阻尼材料的结构由多个层次组成，各层次在结构上具有相似性，它由聚合物和m个叠层复合体组成，叠层复合体由n个纳米约束阻尼型结构体排列组成；其中纳米约束阻尼型结构体是由聚合物阻尼单元、层状无机纳米材料运用插层方法制得的。

2，根据权利要求1所述的一种聚合物基阻尼材料，其特征在于所述层状无机纳米材料至少选自云母、石墨、二硫化钼、一氮化硼、蒙脱土、高岭土层状硅酸盐或各种人工合成的层状无机纳米材料的一种。

3.根据权利要求1所述的一种聚合物基阻尼材料，其特征在于所述聚合物阻尼单元至少选自单种聚合物、2种或2种以上的聚合物、聚合物和功能性添加剂混合体或聚合物互贯网络结构体中的一种。

4.根据权利要求3所述的一种聚合物基阻尼材料，其特征在于所述聚合物至少选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、氯化聚乙烯、聚氯乙烯、氟化聚烯烃、聚偏二氟乙烯、天然橡胶、合成橡胶和各类热塑性弹性体中的一种。

5.根据权利要求3所述的一种聚合物基阻尼材料，其特征在于所述功能性添加剂至少选自一种化合物或低聚物，其官能团至少含有羟基、羧基、氨基、羰基或氟、氯、溴、氧、硫、氮杂原子中的一种。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种聚合物基阻尼材料，其特征在于所述插层方法选自熔体插层、溶液插层和原位聚合插层方法中的一种。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种聚合物基阻尼材料，其特征在于所述层状无机纳米材料是云母，所说的聚合物阻尼单元是丙烯酸酯类弹性体和功能性添加剂4，4’-硫代-双(3-甲基-6-叔丁基苯酚)的混合体。