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高性能水性阻尼涂料的研究

【兰陵化工集团涂料油漆】
张鹏,赵庆军,姚海龙( 石家庄市油漆厂,石家庄050051)  

摘要:介绍了高分子材料的阻尼机理,采用乳液共混的方法来实现拓宽阻尼温域。通过对乳液共混方法、云母粉粒径和添加量的选择、增稠剂和纤维的筛选,研制的阻尼涂层具有阻尼温域宽、复合损耗因数高、减振降噪性能好、机械性能佳等特性。
关键词:水性阻尼涂料; 复合损耗因数; 阻尼性能; 减振降噪
中图分类号: TQ 630. 7 文献标识码: A 文章编号: 0253 - 4312( 2012) 08 - 0039 - 04

随着我国铁路行业的高速发展,运营里程的不断延长,运营时速的持续提高,实验列车速度已超500 km/h。列车在高速运行过程中,各种机械部件都会产生振动,由此会产生噪音,而振动的大小直接关系到产生噪音的强弱。根据试验和国外资料介绍,铁路列车在80 km/h 以上速度运行时,速度每增加10km/h,车内噪声相应提高0. 5 ~ 1. 0 dB,即如果车速从80 km/h增加到300 km/h 时,车内噪声将提高11 ~ 22 dB。因此如果按现行标准制造的车辆用于提速或高速运行,车内噪声将会明显提高。强大的噪声将会影响乘坐的舒适性,所以降低整车的振动和噪音,将会显得更加重要。随着铁路高速、轻量化进程的加快,以及人民生活条件的改善,上述问题会显得更加突出。本研究采用2 种乳液共混的方法来实现拓宽阻尼温域。

试验发现,混容性好、Tg值相差较大的乳液共混可以得到阻尼温域宽、复合损耗因数高的阻尼涂料。通过添加筛选后的片状填料、增强涂膜性能的纤维、改善涂膜表观的增稠剂等研制的水性阻尼涂料,具有优异的隔音、减震、降噪、保温、阻燃、环保的特点,在高速铁路领域具有较高的推广应用价值。

1· 实验部分
1. 1 原料
乳液R1: Tg = 0 ℃,保定晟达化工有限公司; 乳液R2: Tg =42 ℃,中国化工橡胶株洲研究设计院; 云母粉: 河北灵寿; 增稠剂638: 原科宁公司; 分散剂3204: 原科宁公司; 消泡剂334: 原科宁公司; 聚丙烯纤维: 河北保定鑫骅合成纤维厂。
1. 2 配方
水性阻尼涂料配方见表1。
1. 3 性能测试结果
1. 3. 1 样板制备方法
样板的制备按GB/T 1727—1992 规定进行。首先在基板上涂覆一道符合TB/T 2260—1991《铁路机车辆用防锈底漆供货技术条件》规定的或由供需双方商定的防锈底漆,干膜厚度为( 23 ± 3) μm,干燥48 h 后,采用刮涂或喷涂的方法制备阻尼涂料的涂膜,干膜厚度为( 2. 0 ± 0. 2) mm。样板在室温下干燥7 d; 或先在室温下放置24 h,然后在( 60 ± 2) ℃条件下烘烤2 h,取出后在室温下再放置16 ~ 24 h 后进行试验。
1. 3. 2 阻尼性能的检测
阻尼涂料是一种功能型涂料,其主要作用是减震降噪,因此复合损耗因数ηc为主要性能指标。文中采用GB/T16406—1996《声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》规定的方法B 自由悬梁法进行ηc的测定,该方法适用于在10 ~1 000 Hz频率范围内,储能模量的测量范围下限可达0. 5 MPa,损耗因数测量范围为10 - 2 ~ 10 - 1 量级。其测量结果用于评价各种复合结构试样的振动阻尼效果。
1. 3. 3 性能测试
水性阻尼涂料性能测试结果见表2。 2 ·结果与讨论

2. 1 阻尼机理
高分子材料因其特有的黏弹性而被广泛用于阻尼材料的研制和使用。其一般在Tg区域内表现出的阻尼性能最好[1]。

这是因为当温度在Tg区域内时,高分子链段刚好处于能够自由运动的黏弹状态,体系黏度很高,链段运动受到的摩擦阻力很大,故不可逆滑动增加,形变滞后于应力变化,导致体系内耗较大; 当温度低于Tg时,高分子链段处于坚硬的玻璃态( 自由运动被冻结) ,分子间链段的滑移现象极少,外力作用于高分子材料时只引起键长和键角的改变,而这种形变很小、很快,足以跟得上应力的变化,故体系内耗较小; 当温度高于Tg时,高分子链段处于高弹态,链段运动较自由,链段间的滑动能够很快恢复,故体系内耗也较小。

高分子材料在黏弹态时,在交变应力的作用下形变落后于应力的现象称作滞后现象[2]。由于滞后,在每一次作用下都有能量的损耗,称之为力学损耗或“内耗”,消耗的功以“热”的形式释放出来。实际过程是将一定的动量、机械能变为热能,从而起到减振降噪的阻尼作用。

目前对阻尼材料的评价还缺乏统一的标准[3],比较常见的评价方法是动态力学谱法。通过材料在应力作用下的损耗因子或阻尼因子( tanδ) 来表征材料的力学损耗或内耗的大小,如式( 1) 所示。
tanδ = E″ /E’ 式( 1)
其中: E’为实数模量( 或储能模量) ; E″为虚数模量( 或损耗模量) ; δ( 力学损耗角) 为应变落后于应力的相位角。阻尼因子越大,阻尼温域越宽,则材料的阻尼性能越好。
均匀材料自身的损耗因数以tanδ 表示,当试样为不同材料复合组成时,所测定的损耗因数称为复合损耗因数ηc,当阻尼层与基材的厚度比一定时,ηc正比于阻尼材料本身的tanδ。阻尼涂料的复合损耗因数ηc为0. 03 时就有阻尼效果,ηc为0. 05 时就有实际的应用价值,日本规定ηc > 0. 08[4]。

2. 2 乳液的选择
水性阻尼涂料通常以乳液为基料。但单一的乳液阻尼温域狭窄,弹性模量过低,无法满足实际应用中宽温域、宽频率阻尼的需要[5]。为拓宽阻尼材料的玻璃化转变区,提高材料的阻尼性能和弹性模量,将2 种或多种乳液共混改性是最常用的方法。
图1为单个乳液ηc与温度的关系。

从图1 可知,R1 乳液在- 2. 9 ℃时,ηc的峰值为0. 45,R2乳液在40. 2 ℃时,ηc的峰值为0. 54。
R1 乳液和R2 乳液共混后的阻尼性能见图2,其中R3 乳液为m( R1) ∶ m( R2) =1∶ 2 的共混乳液; R4 乳液为m( R1) ∶ m( R2) =1∶1 的共混乳液; R5 乳液为m( R1) ∶ m( R2) =2∶ 1 的共混乳液。

由图2 可知,2 种乳液共混后,ηc峰值均出现了明显变化,且只出现了1 个峰值,说明这2 种乳液的相容性较好。在R1 和R2 共混时,ηc曲线随不同的共混比例而改变,当m( R1) ∶ m( R2) 为2∶ 1时,其阻尼温域最宽,ηc大于0. 08 时的温度范围为- 20 ~ 60 ℃。虽然阻尼峰值比乳液单组分时有所下降,但可以满足高速铁路客车车体的使用要求。

2. 3 增稠剂的选择
水性涂料具有良好的施工性、优异的表观效果、理想的贮存稳定性,其很大程度上取决于增稠剂的选择。目前市场上可选用的增稠剂品种主要有无机增稠剂、纤维素类、丙烯酸碱溶胀类和聚氨酯缔合型增稠剂等4 类。不同种类的增稠剂增稠机理各不相同,赋予涂膜的各种性能也不尽相同,见表3。
无机增稠剂如膨润土、蒙脱石等具有增稠性强、触变性好、稳定性好等优点,但涂膜流平性较差,表观不平整[6]。纤维素类增稠剂是通过疏水主链与周围水分子通过氢键缔合,提高聚合物本身流体体积,减少颗粒自由活动空间,来提高体系黏度。由于其为天然高分子,易受到微生物的攻击被降解,影响涂料的贮存稳定性。丙烯酸碱溶胀增稠剂一般带有较多数量的羧基,与水相中的碱中和,生成聚合物盐类,由颗粒状变成带大量支链结构的立体棒状,又因相互交叉形成网络结构。因而其具有较强的亲水性,耐水性能欠佳。聚氨酯缔合型增稠剂是具有亲水基和疏水基的高分子聚合物,疏水基团与涂膜的基体有较强的亲合性,可增强涂膜的耐水性,具有增稠性较强、流平性较好、耐水性、生物稳定性好等特性。

2. 4 填料的选择
添加填料可以有效地扩大阻尼温域,片状云母粉是最为常用的添加填料之一。当片状云母粉配合高分子材料制成的涂膜遇到振动或噪声辐射时,云母粉这种片状材料会沿着振动和噪声传播的垂直方向运动,与其周边的高分子链和云母粉产生摩擦,将机械能转化成热能,从而起到阻尼减振的作用。

谭亮红等[7]研究认为随着云母粒径的减小,ηc峰值不断提高,玻璃化转变温域变窄; 随着云母粒径的增大,高阻尼温域变宽,阻尼峰值有所下降; 随着云母粉用量的提高,大粒径的云母阻尼性能有上升趋势,而小粒径的云母阻尼性能有下降趋势。不同粒径云母粉对阻尼性能的影响见图3,添加量对性能的影响见表4。
随着云母粉目数的增大,粒径的减小,ηc峰值不断增高,低温阻尼损耗因数减小,高温阻尼因素数增大; 随着云母粉目数的减小,粒径的增大,玻璃化转变温域不断扩宽,低温阻尼损耗因数增大,高温阻尼损耗因数减小。

表4 中云母粉选择60 目和600 目混合使用, 60 目与600 目云母粉质量比为1∶ 2,由图3 可知添加60 目云母粉对低温时的复合损耗因数有较大的提高,添加600 目云母粉对高温时的复合损耗因数有明显的帮助,由于粒径较小的云母粉在阻尼涂料中分散的较为致密,产生相互摩擦的几率较大,阻尼效果明显,所以以粒径较小的600 目云母粉占较大比例为宜。由表4 可知,随着云母粉添加量的不断增加,阻尼涂料的耐冲击性能增强,柔韧性下降。其中云母粉在阻尼涂料中的添加量在40% ~ 50%之间,其涂膜的综合性能达到最佳。

2. 5 纤维的选择
阻尼涂料为达到消音减振的效果,一般要求涂膜的厚度较厚,涂膜在干燥的过程中由于内应力较大容易产生开裂现象。为解决这一现象需要在涂料中加入加强筋,增加涂膜的抗张力。通常应用于涂膜的加强筋有: 石棉纤维、玻璃纤维、钢纤维和合成纤维。其中,石棉纤维被发现对人体有致癌作用,已被国际上禁止使用; 玻璃纤维由于耐碱性差,不能通过耐碱性实验; 钢纤维存在加入量大、成本高、操作复杂、对机器磨损大、易腐蚀等问题。而聚丙烯合成纤维由于安全环保且具有提高抗裂能力、抗渗透能力、抗冲击能力、抗冻能力、抗震能力和能提高涂膜柔韧性、延展性、耐磨性等特性而被广泛应用。表5 为不同纤维长度的聚丙烯纤维对阻尼涂料性能的影响。 根据表5 可知,选用长于4 mm 的聚丙烯纤维在进行施工时极易产生纤维抱团堵塞枪嘴的现象,而在选用短于3 mm 纤维时,其加强作用小于涂膜干燥过程中内聚力的收缩,出现涂膜表面开裂的现象,同时未起到增强涂膜耐冲击性和柔韧性的作用,因此选择4 mm 的纤维较为适宜。

3· 结语
( 1) 选用多种乳液共混来达到拓宽阻尼温域时,要求不同乳液的Tg值相差的尽量远些,且相容性要好,乳液之间Tg值相差的大小,决定了共混乳液的阻尼温域的宽窄; 相容性的好坏,决定了阻尼峰值的大小。
( 2) 通过添加云母粉来达到调节阻尼温域和阻尼峰值的目的,添加大粒径的云母粉,可拓宽阻尼温域,提高低温区的阻尼值,但降低高温区域的阻尼值; 添加小粒径的云母粉,可提高阻尼峰值,但降低低温区的阻尼值。
( 3) 选用有效的增稠剂可改善阻尼体系的稠度,提高涂膜的流平性、耐水性和贮存稳定性,提供良好的施工性能等。
( 4) 添加聚丙烯纤维,选择合适的纤维长度,提高涂膜的抗开裂性能,满足施工喷涂的要求。
采用以上方法研制的水性阻尼涂料,实现了在- 20 ~60 ℃的环境下,复合损耗因数ηc大于0. 08 的阻尼效果,具有宽温域高阻尼及良好的机械性能,完全满足TB/T2932—1998《铁路机车辆阻尼涂料供货技术条件》的要求,适用于高速铁路车体的减振降噪,具有较高的实际应用价值。

参考文献
[1]何曼君,陈维孝,董西侠. 高分子物理[M]. 上海: 复旦大学出版社,2004.
[2]刘国杰. 特种功能性涂料[M]. 北京: 化学工业出版社,2002.
[3]邓建国,王建华,贺传兰. 聚氨酯阻尼材料研究进展[J]. 聚氨酯工业,2001,16( 2) : 1 - 4.
[4]杨松柏,席时俊. 铁路机车用阻尼涂料[J]. 涂料工业,1999,29( 5) : 13 - 16.
[5]张晓君,丁智平,王进,等. 乳液共混法制备水性阻尼涂料[J]. 化工时刊,2007,21( 5) : 59 - 60.
[6]周新华,廖列文,宋光泉,等. 水性涂料中增稠剂的选择及其应用[J]. 广东化工,2006,33( 8) : 54 - 57.
[7]谭亮红,周志诚,贺才春. 水性阻尼涂料的动态力学性能研究[J]. 涂料工业,2006,36( 11) : 5 - 7.刘玉昆、周伟、崔志刚廊坊艾格玛新立材料科技有限公司摘要标准EN877中规定了建筑排水铸铁管道需要满足温度循环实验,这对铸铁管的防腐材料提出了更高的要求。本文探讨并验证了环氧粉末涂料配方设计中影响涂层耐温度循环性能的因素,还介绍了适用于粉末生产厂家实验室的温度循环检测设备的设计和应用。引言熔结环氧粉末2018年,化工销售华南分公司销售了6.6万吨薄壁注塑聚丙烯新产品,同比增加1.7万吨,年增长率达35%,为华南生产企业增创效益超过千万元。 薄壁注塑聚丙烯产品广泛应用于快餐盒、饮用杯、瓶盖等下游产品的生产,受益于近年来网上订餐外卖业务的火爆,各省各地均具有较好市场前景。 化销华南分公司引导区内油漆是室内装潢中重要的一环,容易出现一些棘手的问题,让人束手无策。其实只要找出问题发生的真正原因,对症下药,就不难有令人满意的结果,以下即针对油漆易产生的问题,提出解决之道,让你在室内装潢时能更加得心应手。
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