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(duì)幾乎對(duì)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(cè)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(duì)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(shí)，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(chǔ)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(chǔ)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(shí)，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(shí)最好是一致的。
　　 剛性填充劑的加入一般會(huì)使高聚物的儲(chǔ)能模量提高，但無論填料增強(qiáng)或減弱阻尼性能，通常都會(huì)增加損耗模量。這是因?yàn)樗鼘?duì)儲(chǔ)能模量

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(huì)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(shí)，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(chǔ)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(chǔ)能模量又逐漸上升，因而導(dǎo)致了體系儲(chǔ)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(shí)達(dá)到最大。同時(shí)撕裂強(qiáng)度和硬度也隨著T-ZnOw的加入而增強(qiáng)。但T-ZnOw對(duì)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(shí)下降幅度達(dá)20％，隨后變化不再明顯；同時(shí)交聯(lián)度高的體系下降幅度

6、更大。因而T-ZnOw對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)吸聲性能影響不大。粒徑20nm的納米氧化鋅在含量為5wt％時(shí)，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(shí)，納米氧化鋅粒子產(chǎn)生振動(dòng)，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(dòng)受限的殼層，同時(shí)還造就了相當(dāng)量的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(duì)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