高分子阻尼材料

1前言

根据机械振动理论，机械结构在激振力作用下，当激励频率与结构的固有频率相同时将会有谐振现象发生。阻尼是对谐振现象减振的唯一因素，阻尼减振就是将振动能量转变成热能耗散出去，从而达到减振的目的。

振动阻尼产生的机理按其物理现象通常可分为：材料的内摩擦(材料自身的阻尼)、摩擦(接合面摩擦或介质的摩擦)、能量转换和能量传输。材料的阻尼特性通常由阻尼损耗因子来衡量，即耗损能量与机械振动能量的比值。

通过能量的转换产生阻尼效应有很多方式，如机械能与电能的转换、机械能的频率转换和空气泵动等。机械能与电能的转换是通过机电能量转换器转换为电能，再由电磁效应的磁滞损失耗散能量或由涡流的能量损失产生阻尼作用。频率转换是将机械振动能的频率转换为另一种频率，对机械产生的振动危害就有可能被越过，而这种振动能量对原频率失效，更容易转换成热能。泵动阻尼是在两个连接面之间留空气隙，当振动接近时，空气隙中的空气就会像气泵中的空气一样做运动，由于空气具有一定的粘性，因此，空气泵动过程中就产生机械能到热能的转换。总之，能量转换就是将机械能转换成其它任意可耗散的能量。

2高分子阻尼材料

高分子阻尼材料是一种高聚物，高分子材料形变性质的重要特征是粘弹性。当高分子材料吸收振动能量时，将吸收的机械能部分地转变为热能耗散掉，起到阻尼作用。高分子材料阻尼作用大小取决于滞后现象的大小，高分子阻尼材料的应变滞后于应力，由于滞后现象，聚合物的拉伸—回缩循环变化均需克服链段间内摩擦阻力而产生内耗。

通常用阻尼系数 来衡量这个内耗。阻尼系数 表示为： ，其中 为粘弾材料应变滞后于应力的相位角；E'、E"分别是储能模量和损耗模量。由此可知 与材料的模量是相关的。

随着温度的升高或时间的推移，高聚物呈现四个显著不同的状态或区域。①低温的玻璃态，链段的运动处于“冻结”状态，只有侧基、链节、键长、键角等的局部运动。具有虎克弹性行为，质硬而脆。②玻璃化转变区是对温度十分敏感的区域。在此范围内，链段已开始“解冻”，表现有明显的力学松弛行为。这是材料具有高阻尼的区域。③高弹态，在Tg以上，链段运动已充分发展，模量在105~106Pa左右。④粘流态，温度高于Tf，由于链段的剧烈运动，在外力作用下，整个大分子链重心可发生相对位移，产生不可逆形变即粘性流动。综上所述，随着时间和温度的不同，模量有显著的变化，这必然会导致阻尼系数的变化。玻璃化转变区与玻璃态的临界温度称之为玻璃化温度(Tg)。这表明阻尼材料的使用温度与Tg重合时才能产生最好的阻尼效果。在 Tg以下，高聚物受外力作用形变很小，主要是键长和键角的运动，完全可以跟得上应力的变化，相位差 小，所以内耗就小。温度升高向转变区过渡时，链段开始运动，体系的粘度很大，摩擦阻力比较大，应变明显的滞后于应力， 较大，内耗也就大。当温度进一步升高，链段运动比较自由， 小，内耗也就小。

另外高聚物的阻尼性能也与高聚物本身结构及频率有关。在外力作用下，大分子的键长、键角、链节、链段、基团等各运动单元沿作用力方向克服内摩擦阻力自由取向变形具有消耗机械能的能力。顺丁橡胶之所以内耗小就是因分子链上没有取代基，链段内摩擦阻力较小。丁苯橡胶和丁腈橡胶的内耗大，是由于丁苯具有较大的侧基，丁腈橡胶有极性较强的侧氰基。同时，当频率很高时，链段运动完全跟不上外力的变化呈玻璃态，内耗小。当频率很低是，链段完全跟得上外力的变化， 小，内耗也小。只有在特定的频率范围内，链段运动跟不上外力的变化，使材料呈现为粘弹行为，从而出现内耗最大值。综上所述，高分子材料的阻尼性能除与结构有关，还是温度和频率的函数。

虽然一些高聚物具有比较理想的阻尼性能，但是适用温度范围窄，因此必须采取适宜的物理和化学方法，使其具有高阻尼和适宜的使用温度范围。归纳起来主要有以下三类：

2.1共混

用单一高分子材料作为阻尼材料，玻璃化转化区较狭窄，不适合宽温宽频阻尼减振的使用要求，为增宽玻璃化转化区和改变玻璃化温度，共混是最常用的方法。共混的组分必须是部分互溶的，部分互溶将使二组分(或多组分)的玻璃化温度产生相对位移和靠近。使两个玻璃化转变区的凹谷上升为平坦区，呈现单一组分的特性。另外共混高分子阻尼材料还具有较宽的有效阻尼范围。有价值的共混聚合物有：聚苯乙烯—苯乙烯/丁二烯、聚氯乙烯—丙烯晴/丁二烯和聚氯乙烯—乙烯/醋酸乙烯酯等。也可以采用共混填料来提高和增宽阻尼值。填料能使高分子材料的玻璃化转变温度略微上升，阻尼峰宽温度略有增加。某些特殊填料，如片状石墨和云母加入后可增加片层与高分子间的摩擦并转化为热，从而产生很好的阻尼性能。

2.2共聚

共聚又有接枝和嵌段之分：

1)接枝共聚：用化学方法把第二种单体接到另一高聚物主链上。如: 环氧丙烷/苯乙烯接枝共聚物, 通过聚环氧丙烷与顺丁烯二酸酐的反应, 制成端乙烯基大分子单体，再与苯乙烯接枝，固化即得产物。大分子单体起增塑剂作用，其含量增加将增加接枝共聚物结构中支链数目，链与链之间缠结趋于加剧表现出较高的阻尼值。

2) 嵌段共聚：把两种或多种不同链段按着尾—尾或头—头方式联接在一起。如聚醋酸乙烯酯—丙烯酸酯类橡胶体系阻尼材料，它是第一成分、第二成分嵌段共聚而成，它要求第一成分的玻璃化温度较低并有柔软性的酯类，第二成分是少量的高Tg并有硬性的酯类，必要时可加入高官能团的单体，加强分子链之间的交联，使体系的损耗因子变大，阻尼性能改善。

2.3互串网络体系

互串网络体系可分互串网络(IPN)，同步互串网络(SN)，半互串网络(S—IPN)。

1)互串网络(IPN)：具有两种以上高聚物网络相互贯穿的结构，具有永久性缠结或链结，从而限制了微区间的相尺寸和相分离。由于两相的混合较广泛而又不完全使材料在横跨两组分的转变温度之间具有连续平坦、高的阻尼特性。

2)同步互穿网络(SIN)：SIN的合成指的是把两种聚合体的单体、预聚物、线形聚合物、交联剂等混合形成均匀的液体，然后两种组分独立地互不干扰地同时反应聚合。它可以：(a) 两种聚合物同时凝胶化；(b) 预聚物混合物的顺序聚合；(c) 在两种聚合物间引入若干数量的接枝点。

3)半互串网络(S—IPN) ：在互串网络中仅一种高聚物交联，而另一种为线形。如聚氨酯—丙烯酸酯半互串网络，在热塑性聚氨酯(TPU) 中贯穿缠绕具有高分子量的丙烯酸酯，在这个过程中，可以使—COOH与—NCO基团发生一定程度的反应，以增加两组份分子间的互穿程度。改变不同的组成和用量，可以得到一系列不同性质的S—IPN 高分子阻尼材料。