聚氨酯IPN阻尼材料的研究进展_张春梅.pdf

第 3 期收稿日期:20220806作者简介:张春梅，女，博士研究生，讲师，研究方向:高分子基复合材料的制备及阻尼性能。通信作者:刘晓非，博士研究生，教授，研究方向:功能高分子材料的开发与应用。聚氨酯 IPN 阻尼材料的研究进展张春梅1，2，张晓刚3，刘晓非1*(1天津大学 材料科学与工程学院，天津300072;2河南城建学院 材料与化工学院，河南 平顶山467036;3浙江宏利汽车零部件股份有限公司，浙江 嘉兴314200)摘要:振动和噪声对工业生产、人类健康及国防安全等领域都会产生危害，阻尼材料可以吸收外部机械能，并将其转化为热能耗散掉，从而可以有效控制振动和噪声问题。目前应用最广泛的阻尼材料是高分子聚合物，常规聚氨酯(PU)材料由于具有阻尼温域窄、机械强度低及耐热性差等缺点，无法满足使用要求，因此可以通过制备互穿聚合物网络(IPNs)以及在 IPNs 中添加填料的方式来提高其阻尼性能、热稳定性能及机械性能等，以获得综合性能良好的结构阻尼材料。鉴于此，文章综述了 PU 基 IPNs 阻尼材料及添加填料的 PU 基IPNs 阻尼材料的研究进展，并对其未来的研究方向提出了建议。关键词:聚氨酯;IPNs;阻尼材料;损耗因子中图分类号:TQ3238文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03012704esearch Progress of PolyurethaneBased IPN Damping MaterialsZhang Chunmei1，2，Zhang Xiaogang3，Liu Xiaofei1*(1School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China;2School of Materials and Chemical Engineering，Henan University of Urban Construction，Pingdingshan467036，China;3Zhejiang Hongli Auto Parts Co，Ltd，Jiaxing314200，China)Abstract:Vibration and noise can cause harm in the fields of industrial production，human health and national defense securityDamping materials can effectively control vibration and noise by absorbing external mechanical energy and dissipating it into heatenergyConventional polyurethane(PU)materials cannot meet the application requirements due to their shortcomings such asnarrow damping temperature range，low mechanical strength and poor heat resistanceTherefore，the damping，thermal stability andmechanical properties can be improved by preparing interpenetrating polymer networks(IPNs)and adding fillers in IPNs，so as toobtain structural damping materials with good comprehensive performanceIn view of this，this paper summarizes the researchprogress of PUbased IPNs damping materials and filleradded PUbased IPNs damping materials，and puts forward somesuggestions for their future research directionKey words:polyurethane;IPNs;damping materials;loss factor工业生产中机械设备在运转过程中会产生一定的振动和噪声，其不仅影响设备稳定性，而且极易引起器械结构疲劳从而缩短其使用寿命。为了确保许多大型精密仪器的工作准确度，也需要降低其工作环境中的振动和噪声。此外，大量的振动和噪声也会危害人体健康，影响人类生活，研究表明，如果人们长时间暴露于 85 dB 的环境，极易形成噪声性耳聋。不仅如此，在军事领域，发展日趋高速化的各种武器装备及飞行器等，在运行中产生的大量振动和噪声不仅会造成结构疲劳而减少其使用寿命，而且对于潜水艇等需要高度隐蔽的作战武器，微弱的振动和噪声就会对其安全形成极大威胁12。因此，减振降噪在工业生产，人类生活和军事领域等都有非常重要的研究价值。阻尼材料可以将外界机械能转化为热能而耗散掉，从而有效解决振动和噪声问题。目前应用最广泛的阻尼材料是高分子聚合物，主要依靠其在玻璃化转变温度(Tg)附近大分子链段之间的受阻摩擦运动而耗能3。材料的阻尼性能可以用损耗因子(tan)来衡量，tan 值越高，tan03 的温度范围越宽，表明其阻尼性能越好4。聚氨酯(PU)材料具有独特的微相分离结构，由无定形软链段和结晶硬链段组成。当受到外力作用时，软段和硬段的不同运动能力会导致显著的界面摩擦，从而消耗输入能量，赋予 PU 优异的阻尼性能5。然而，常规 PU 材料的阻尼温域非常窄，损耗因子 tan03，05，07 和 08 分别在其玻璃化转变温度附近 30，25，20，15 K 的温度区间内67，20。工业上的振动和噪声通常由振动源产生，例如发动机的工作温度范围涉及从低温区低于 0 到高温区甚至超过 100，实际应用中也要求阻尼材料 tan03 的温域至少为 6080。显然常规 PU 材料狭窄的阻尼温域无法满足其使用要求，另外，PU 还存在机械强度低、耐热性差等缺点。针对上述缺点，可以通过制备互穿聚合物网络(IPNs)来提高其性能。IPNs 材料是由两种或多种聚合物以网络形式组成的聚合物合金，通过各组分分子链间的永久缠结保持在一起，两种不同类型聚合物分子链之间偶尔存在共价键。由于各个组分之间的强制相容性会产生协同效应，使得 IPNs 复合材料与单个组分相比表现出更优异的热稳定性和机械性能8。由于 IPNs材料复杂的微相结构可以获得较宽的玻璃化温度转变区间，因此可以产生良好的阻尼性能9。在 IPNs 材料中添加填料会进一步提高阻尼性能，这是因为除去大分子链段本身在 Tg附近受阻摩擦运动耗能以外，聚合物大分子链填料以及填料填料之间的界面摩擦有助于消耗更多的外界机械能1011。1PU 基 IPNs 阻尼材料研究进展与纯组分相比，IPN 材料的物理和机械性能取决于相分离的程度及形貌。IPN 材料中的相分离程度取决于许多因素，例如各组分的相容性、质量比、结晶度、Tg、各个网络的交联程度及网络之间相互连接的程度以及制备方法和条件(如温度、压力)等1213。目前已经报道了一些聚氨酯 IPN 阻尼材料，并且已经取得了一些良好的结果，如聚氨酯与环氧树脂、乙烯基酯721张春梅，等:聚氨酯 IPN 阻尼材料的研究进展DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.035山东化工树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸酯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等材料的 IPN 共聚14。Hourston 等15 通过网络间接枝和使用相容剂对不相容的聚氨酯/聚苯乙烯(PS)互穿网络进行化学改性，使其产生高而宽的玻璃化温度转变峰，tan03 的温度范围分别超过 80 和135。对 60 40 PU/PS IPNs 进行搅拌聚合会导致非常复杂的相包含形貌，其 tan03 的温度范围可以从19145。在半相容的聚氨酯/聚甲基丙烯酸乙酯 IPN 中研究了组成对其阻尼性能的影响，当组成比为 70 30 时，会使 tan03 的温度范围大于 130。Qin 等16 通过引入丙烯酸酯类作为乙烯基酯树脂(VE)的共聚单体，在室温下固化制备得到一系列聚氨酯/乙烯基酯树脂 IPNs 及梯度 IPNs，采用动态热机械分析仪(DMA)研究了热力学因素、动力学因子、组分比和梯度技术对其阻尼性能的影响。采用四种不同的 VE 共聚单体，包括甲基丙烯酸丁酯(BMA)、苯乙烯(St)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸乙酯(EA)，研究结果表明，以丙烯酸酯类作为 VE 共聚单体的 PU/VE IPNs 的阻尼性能优于以 St 作为 VE 共聚单体的 PU/VE(St)IPNs。在较宽的温度范围内，PU/VE(EA)IPNs 的阻尼性能优于 PU/VE(MMA)IPNs。PU/VE(BMA)IPNs 具有最好的阻尼性能，表现为更宽且高的阻尼平台曲线。当 IPNs 的相对聚合速率接近时，以甲基丙烯酸丁酯(BMA)作为 VE 共聚单体的 80 20，70 30 和 60 40 PU/VE(BMA)IPNs 表现出优异的阻尼性能。通过调整梯度技术，获得了阻尼性能优于同步 IPNs 的梯度 IPNs。当时间间隔为 3 h，组分比分别为 50 5060 4070 30 的梯度 IPNs，其 tan03 的温度范围可从5790，tan05 的温度范围可从3654。研究结果表明，梯度 IPNs 的梯度结构在过渡区域形成，且获得的 PU/VE(BMA)IPNs 和梯度 IPNs 的相范围均为纳米级。Chen 等17 制备得到一系列端羟基液体丁腈橡胶(HTLN)改性的蓖麻油基聚氨酯(PU)/环氧树脂(EP)IPNs 材料。文章研究了HTLN 含量对HTLN 改性PU/EP IPNs 复合材料的相结构及阻尼性能的影响。热重分析表明，复合材料的热分解温度随着HTLN 含量的增加而提高。此外，HTLN 改性 PU/EP IPNs 的抗拉强度和冲击强度也得到了显著改善，尤其是当 HTLN 质量分数含量为 5%时，改进的 IPNs 复合材料可以用作结构阻尼材料。Lyu 等18 根据自分层机制，制备得到一种新型的连续梯度PU/EP IPNs 材料。DMA 测试结果表明，其 tan03 的温度范围为71812487(温域为11769)，最大损耗因子为067，远远优于相同组分的传统 IPNs 材料(tan03 的温度范围为438412690，温域为 8306)。形貌分析表明，如图 1 所示，互穿聚合物网络中的聚氨酯相集中在样品的一个表面，而环氧相则集中在另一个表面，从一个表面到另一个表面为连续梯度移动，没有明显的相分离。图 1连续梯度 PU/EP IPNs 形成机制图Dave 等19 通过顺序法制备得到蓖麻油基聚氨酯和聚苯乙烯(PS)的 IPNs 材料。研究结果表明，复合材料的 Tg随着 PS含量的增加而降低，损耗因子 tan 峰值随着 PS 含量的增加而提高。复合材料表现出单一的 Tg值，表明在制备过程中没有发生相分离，所有 IPNs 表现出比纯聚苯乙烯更好的热稳定性。SEM 分析表明两个网络相互渗透，从而可以获得具有良好热性能的酯交换蓖麻油基 IPNs 材料。Feng 等20 使用 21羟基环糊精(CDs)作为 PU 的扩链剂，制备得到一种新型聚氨酯(PU)/环氧树脂(EP)互穿聚合物网络(IPNs)阻尼材料。如图 2 所示，在羟基与异氰酸酯基团的高比例下，每个 CDs 都经历了不同程度的链膨胀，然后这些 CDs 接枝不同数量的 PU 链产生不同尺寸的硬段，从而增加了运动单元的种类，扩大了阻尼温域。此外，CDs 上未反应的羟基提供了大量的氢键质子，可以与氨基甲酸酯基团形成氢键，从而有利于 t