聚氨酯基復(fù)合材料的阻尼及水聲吸聲性能研究.pdf

1、聚氨酯是一種重要的阻尼材料，為了提高其阻尼性能對幾乎對各種聚氨酯/填料體系都進(jìn)行了研究，近年來納米材料在阻尼材料方面的應(yīng)用引起了更廣泛的興趣。納米ZnO以納米材料和半導(dǎo)體氧化物兩方面的完美結(jié)合使其在許多領(lǐng)域具有重要意義和誘人前景，但在阻尼材料中的應(yīng)用很少有人提及。四腳針狀氧化鋅晶須(Tetrapod-1ikezinc oxide whiskers，簡稱T-ZnOw)，是晶須家族中唯一具有規(guī)整三維空間結(jié)構(gòu)的晶須，具有許多獨(dú)特的性能。本文采

2、用原位聚合法制備了聚氨酯/納米氧化鋅及聚氨酯/T-ZnOw復(fù)合材料。采用XRD、TEM、SEM、DMA、TGA、FTIR等多種測試手段，確定了聚氨酯/氧化鋅復(fù)合材料的制備工藝條件，研究了氧化鋅對材料力學(xué)性能、熱性能、阻尼性能的影響，以及材料形態(tài)、結(jié)構(gòu)的變化。
　　 納米氧化鋅的加入顯著提高了聚氨酯的拉伸強(qiáng)度，在用量為2wt％時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度均達(dá)到最大，最高可提高12.9倍左右。納米氧化鋅使材料的撕裂強(qiáng)度和硬度均略有提高，而

3、彈性模量稍有下降。復(fù)合材料的儲能模量和損耗模量與純的聚氨酯相比均在高彈態(tài)出現(xiàn)了較大的“遞進(jìn)式”下降，即納米氧化鋅的加入降低了材料的儲能模量而降低的幅度隨納米氧化鋅含量的增加而減小。但損耗因子得到了極大的提高，在含量約為2％時，材料的損耗峰最高(約提高了120％)，這和力學(xué)性能在2wt％含量時最好是一致的。
　　 剛性填充劑的加入一般會使高聚物的儲能模量提高，但無論填料增強(qiáng)或減弱阻尼性能，通常都會增加損耗模量。這是因?yàn)樗鼘δ苣Ａ?/p>

4、的提高足以彌補(bǔ)損耗因子的下降。而納米氧化鋅增強(qiáng)聚氨酯展現(xiàn)了特別的行為。紅外光譜表明ZnO所含大量羥基與預(yù)聚體中異氰酸根發(fā)生了反應(yīng)，從而使預(yù)聚體中的線型聚氨酯分子鏈接枝到ZnO表面。這種接枝鏈會進(jìn)一步與其余分子鏈發(fā)生纏結(jié)，從而使ZnO表面形成線型聚氨酯分子的包覆層，因而形成類似“核-殼”結(jié)構(gòu)。正是由于這種“核-殼”結(jié)構(gòu)的存在，含量較低時，納米氧化鋅粒子被完全包覆，體系更多地顯示出界面相線型聚氨酯的性質(zhì)，也使體系更接近于在剛性基體中引入彈性

5、組分的體系，從而使儲能模量下降；隨著填料含量的增加，納米氧化鋅粒子的性能逐漸顯現(xiàn)，從而使儲能模量又逐漸上升，因而導(dǎo)致了體系儲能模量的“漸進(jìn)式”下降。
　　 T-ZnOw提高了聚氨酯的拉伸強(qiáng)度，在4wt％時達(dá)到最大。同時撕裂強(qiáng)度和硬度也隨著T-ZnOw的加入而增強(qiáng)。但T-ZnOw對材料的阻尼性能幫助不多。研究表明，隨著T-ZnOw的加入，材料的密度持續(xù)下降，在2wt％時下降幅度達(dá)20％，隨后變化不再明顯；同時交聯(lián)度高的體系下降幅度

6、更大。因而T-ZnOw對聚氨酯的增強(qiáng)作用更多的是由于其本身的高強(qiáng)度、高模量，并由于其獨(dú)特的四腳針狀結(jié)構(gòu)所造成。T-ZnOw獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)使其不易從在基體中拔出，與基體間的抓著力更大，形成“釘扎效應(yīng)”，并很容易地實(shí)現(xiàn)三維均勻分布，在基體中互相搭接，形成剛性的骨架結(jié)構(gòu)，從而極大地增強(qiáng)了聚氨酯的力學(xué)性能。同時這種三維結(jié)構(gòu)在材料中形成非常有效的載流子傳輸通道，并且由于晶須針尖電荷集中和隧道效應(yīng)的存在，使聚氨酯的體積電阻率大幅下降。
　　

7、 密度下降的因?yàn)樵谟诰ы氁鹆肃徑糠指呔畚锓肿渔溡?guī)整度的下降；更重要的是由于T-ZnOw獨(dú)特的立體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了一定的空間位阻，使高聚物分子鏈不能進(jìn)入空間正四面體核心附近，從而造成密度的下降。交聯(lián)度高的體系分子鏈段越難以進(jìn)入，因而對其的影響也越大。
　　 作為水聲吸聲材料，聚氨酯/納米氧化鋅復(fù)合材料具有很高的吸聲系數(shù)(α)。相較于中空玻璃微珠、納米碳管以及各種納米粒子，納米氧化鋅對材料的水聲吸聲性能提高非常明顯。研究表明填料的吸

8、聲性能是由填料本身的性質(zhì)決定的，其形態(tài)對吸聲性能影響不大。粒徑20nm的納米氧化鋅在含量為5wt％時，聚氨酯/納米氧化鋅復(fù)合材料具有最好的吸聲性能。
　　 因?yàn)槭且驗(yàn)檠趸\與異氰酸根的反應(yīng)，使材料界面大為改善，粒子與基體分子鏈產(chǎn)生牢固鏈接，在受到聲能作用時，納米氧化鋅粒子產(chǎn)生振動，并傳遞至周圍基體增加了材料的馳豫吸聲效果。而納米氧化鋅粒子由于與異氰酸根的反應(yīng)以及自身的表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，能夠強(qiáng)烈的吸附高分子鏈，不但在界面上形成高

9、分子鏈運(yùn)動受限的殼層，同時還造就了相當(dāng)量的運(yùn)動能量成梯度變化的高分子鏈，可以非常顯著的提高橡膠的聲學(xué)阻尼特性。同時納米氧化鋅本身也具有接受、吸收聲波的作用，這樣產(chǎn)生協(xié)同作用，使吸聲系數(shù)大增。
　　 本文對解決材料在高壓低頻下的吸聲性能進(jìn)行了多方的探索，采用增加材料內(nèi)摩擦，改善基體高分子鏈馳豫行為以及引入聲學(xué)構(gòu)結(jié)等方法進(jìn)行了嘗試。結(jié)果表明以填料來增大或引入更多內(nèi)摩擦并不能解決這一問題：而在軟段中引入柔順性更好的PPG2000可以有