聚硅氧烷改性聚氨酯涂层吸声性能研究车蜡

聚硅氧烷改性聚氨酯涂层吸声性能研究

聚硅氧烷改性聚氨酯涂层吸声性能研究

张海永，孟宪林，许永辉，林红吉

（中国人民解放军 91872 部队，北京 102442 ）

摘要：研究了聚硅氧烷改性聚氨酯涂层的吸声性能，研究结果表明，填料种类 、 结构 、 含量以及空腔结构会对涂层体系的吸声性能产生不同程度的影响 。

关键词：聚硅氧烷；聚氨酯；吸声性能

1 引言

互穿聚合物网络（ IPN ）是由 2 个或 2 个以上独立的聚合物网络通过大分子链段永久缠结（或互穿）而形成的一种独特聚合物 。 通过恰当地选择原料聚合物体系，可以得到宽阻尼温度范围和高阻尼性能的 IPN ，同时它还兼有较高的耐腐蚀性 、 抗氧化性和机械性能 okmart.com。 正是因为这些其它材料无可比拟的优势， IPN 材料作为优良的阻尼材料日益引起国内外研究者的重视 [1-2] 。 聚氨酯涂层的基体含有大量由异氰酸酯和羟基反应形成的氨基甲酸酯极性基团，该基团的内聚能很高 [3] 。 含有大量氨基甲酸酯基团的刚性链段间相互作用的能量加合起来是非常大的，在线型聚氨酯链之间形成一种假交联的网络结构 。 在室温下，聚合物具有共价键交联网络所表现出来的物理和机械性能 。 聚硅氧烷分子结构中， Si 原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来； C — H 键极性很小，使分子间的相互作用力十分微弱；聚硅氧烷呈螺旋状结构 、 有机侧基（甲基）朝外排列并绕 Si — O 键旋转，引起体积变大，分子中自由体积较大时，具有这种特殊的分子结构，当受到很大的外力作用时，容易压缩 [4] 。 本文将硅氧烷分子链嵌入聚氨酯分子网络中，则新的 IPN 结构既能保存硅氧烷分子链结构中相对较大的自由体积，又能依赖聚氨酯的刚性结构在承受较大的压力下保持形变较小的特性，从而制备出宽压力范围内的高消声材料基体 。

2 反应原理

本文将含端烯键的硅氧烷引入体系，进行了改性，其反应原理如下 [5] ：

反应 1 ，端烯键的硅氧烷与二醇加成反应：

反应 2 ，端羟基硅氧烷与异氰酸根反应生成氨基甲酸酯，从而将聚硅氧烷链引入分子链段中：

3 结果与讨论

3.1 硅氧烷改性对聚氨酯涂层性能的影响

在固化过程中，硅氧烷改性样品的固化速率明显加快 。 在操作许可的范围内，用量控制在 10% ，在室温下进行阻尼性能测试，测试频率为 5 Hz ，结果见表 1 。

表 1 硅氧烷改性对聚氨酯性能的影响

从表 1 可以看出，在测试频率为 5 Hz 时，硅氧烷改性 IPN 结构样品的拉伸模量和剪切模量降低，损耗因子降低 。

3.2 填料种类对改性聚氨酯涂层吸声性能的影响

以硅氧烷改性聚氨酯为基体的室温固化体系涂层中，添加了粒径在微米范围内的球形和片状无机粉体填料 。 固定粉体填料的质量分数为 10% ，研究了填料粒径和形状对涂层吸声性能的影响，结果见表 2 。

表 3 填料对消声涂层密度和平均吸声系数的影响

从表 2 可以看出，未加填料的 1 号样品的吸声系数为 62.9% ，加入填料的 2 ~ 5 号样品明显改变了吸声系数 。 从中可以看出，吸声系数明显受填料种类 、 形状的影响 。 在微米级范围内，不同形状的填料，对吸声系数的影响不一样 。 从添加了球形颗粒填料的 2 、 3 、 4 号样品来看，球形颗粒填料直径越小，平均吸声系数越高 。 这是由于相同质量的填料，粒径小，涂层中界面增加，声波在涂层中的衰减增强，吸声性能增加 。 但是， 5 号样品加入平均粒径为 23.9 μ m 的片状石墨填料，整个测量频率范围内的平均吸声系数增加了 19.3% ，对吸声系数的影响要比球形填料好 。 由此可知，填料本身的特性对吸声系数的影响很重要 。 由 ORNL （美国国立橡树岭实验所） 生产的碳 - 石墨泡沫比玻璃纤维的热传导效应高，在 1 kHz 以上具有优良的吸声性能 [6] 。 石墨填料能显著增加涂层的消声性能，与石墨本身的片状结构及其良好的热传导效应有关 。

3.3 填料含量对改性聚氨酯涂层性能的影响

以硅氧烷改性聚氨酯涂层为基体，研究了平均粒径为 23.9 μ m 的石墨填料的用量对涂层吸声系数的影响，结果见表 3 和图 1 。

表 3 填料对消声涂层密度和平均吸声系数的影响

图 1 石墨含量对硅氧烷改性聚氨酯涂层吸声系数的影响

填料含量对吸声曲线的影响非常明显 。 特性阻抗（ Z ） 是材料的密度与声波在材料中的传播速率的乘积： Z = ρ c [7] 。 声波在橡胶中的传播速率： c ＝ E/ ρ 。 由表 3 数据可计算出硅氧烷改性聚氨酯的特性阻抗 Z 0 = ρ c= E ρ =1.259 × 10 5 （ Pa · s ） /m 。 常压下水的特性阻抗为： 14.5 × 10 5 （ Pa · s ） /m ，比硅氧烷改性聚氨酯的特性阻抗稍大 。 从表 3 可以看到，随着填料用量的增加，硅氧烷改性聚氨酯基涂层的密度和杨氏模量均有所增加，致使涂层的特性阻抗逐步增大，当填料含量为 20% 时，涂层特性阻抗达 13.86 × 10 5 （ Pa · s ） /m ，与海水的特性阻抗更匹配，使得声波的反射减小 。 另一方面，随着填料含量的增加，涂层内的界面增多，从而使衰减增大，这两方面的综合作用，使得涂层的平均吸声系数增大 。

3.4 空腔结构对改性聚氨酯涂层吸声性能的影响

本文设计了 2 种类型的空腔结构，见图 2 。 在硅氧烷改性聚氨酯涂层中引入这 2 种空腔结构，考察了空腔结构对涂层吸声性能的影响，见图 3 。

图 2 2 种不同尺寸的空腔结构

图 3 2 种空腔结构对涂层吸声性能的影响

从图 3 可以看到，空腔结构一降低了 3 ~ 18 kHz 频率间的吸声系数，说明空腔与涂层体系不匹配，有待改进 。 涂层体系引入空腔结构二后，平均吸声系数为 72.3% ；无空腔结构的涂层体系，平均吸声系数为 70.4% ，空腔结构二提高了聚氨酯橡胶样品的平均吸声系数，对 8 kHz 以下的吸声系数的提高尤其明显 。 空腔设计要与材料的性能相结合，充分考虑材料的性能与空腔结构的匹配，才能取得好的吸声效果 。

4 结语

⑴ 聚氨酯涂层体系经聚硅氧烷改性形成 IPN 结构后，其表观密度 、 拉伸模量 、 剪切模量均降低，因此阻尼损耗因子降低明显 。 ⑵ 填料种类 、 结构 、 含量对涂层体系的吸声性能均会产生影响，通过添加合适的填料改善涂层体系的特性阻抗，可以使涂层的吸声性能有明显的提高 。 ⑶ 空腔结构同样会对涂层体系的吸声性能产生影响，设计与涂层材料相匹配的空腔结构可以提高涂层体系的吸声性能 。

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