【博士】聚氨酯基复合材料的阻尼及水声吸声性能研究

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内容简介

　　【博士】聚氨酯基复合材料的阻尼及水声吸声性能研究　　授予学位：博士　　学位授予单位：上海交通大学　　学位年度：2007　　 聚氨酷是一种重要的阻尼材料，为了提高其阻尼性能对几乎对各种聚氨醋/填料体系都进行了研究，近年来纳米材料在阻尼材料方面的应用引起了更广泛的兴趣。纳米Zn0以纳米材料和半导体氧化物两方面的完美结合使其在许多领域具有重要意义和诱人前景，但在阻尼材料中的应用很少有人提及。四脚针状氧化锌晶须(Tetrapod-like zinc oxide whiskers，简称T ZnOw)，是晶须家族中唯一具有规整三维空间结构的晶须，具有许多独特的性能。本文采用原位聚合法制备了聚氨酷/纳米氧化锌及聚氨酷/T ZnOw复合材料。采用XRD, TEM, SEM, DMA,TGA, FTIR等多种测试手段，确定了聚氨酷/氧化锌复合材料的制备工艺条件，研究了氧化锌对材料力学性能、热性能、阻尼性能的影响，以及材料形态、结构的变化。　　 纳米氧化锌的加入显著提高了聚氨醋的拉伸强度，在用量为2wt%时，复合材料的拉伸强度均达到最大，最高可提高12.9倍左右。纳米氧化锌使材料的撕裂强度和硬度均略有提高，而弹性模量稍有下降。复合材料的储能模量和损耗模量与纯的聚氨酷相比均在高弹态出现了较大的“递进式”下降，即纳米氧化锌的加入降低了材料的储能模量而降低的幅度随纳米氧化锌含量的增加而减小。但损耗因子得到了极大的提高，在含量约为2%时，材料的损耗峰最高(约提高了120% )，这和力学性能在2wt%含量时最好是一致的。　　 刚性填充剂的加入一般会使高聚物的储能模量提高，但无论填料增强或减弱阻尼性能，通常都会增加损耗模量。这是因为它对储能模量的提高足以弥补损耗因子的下降。而纳米氧化锌增强聚氨醋展现了特别的行为.红外光谱表明Zn0所含大量轻基与预聚体中异氰酸根发生了反应，从而使预聚体中的线型聚氨醋分子链接枝到Zn0表面。这种接枝链会进一步与其余分子链发生缠结，从而使Zn0表面形成线型聚氨醋分子的包覆层，因而形成类似“核•壳”结构。正是由于这　　种“核一壳”结构的存在，含量较低时，纳米氧化锌粒子被完全包覆，体系更多地显示出界面相线型聚氨醋的性质，也使体系更接近于在刚性基体中引入弹性组分的体系，从而使储能模量下降:随着填料含量的增加，纳米氧化锌粒子的性能逐渐显现，从而使储能模量又逐渐上升，因而导致了体系储能模量的“渐进式”下降。　　 T ZnOw提高了聚氨酚的拉伸强度，在4wt%时达到最大。同时撕裂强度和硬度也随着T ZnOw的加入而增强。但T ZnOw对材料的阻尼性能帮助不多。研究表明，随着T ZnOw的加入，材料的密度持续下降，在2wt%时下降幅度达20%,随后变化不再明显;同时交联度高的体系下降幅度更大。因而T ZnOw对聚氨醋的增强作用更多的是由于其本身的高强度、高模量，并由于其独特的四脚针状结构所造成。T ZnOw独特的三维结构使其不易从在基体中拔出，与基体间的抓着力更大，形成“钉扎效应”，并很容易地实现三维均匀分布，在基体中互相搭接，形成刚性的骨架结构，从而极大地增强了聚氨酷的力学性能。同时种三维结构在材料中形成非常有效的载流子传输通道，并且由于晶须针尖电荷集中和隧道效应的存在，使聚氨酷的体积电阻率大幅下降。　　 密度下降的原因在于晶须引起了邻近部分高聚物分子链规整度的下降;更重要的是由于T ZnOw独特的立体结构，产生了一定的空间位阻，使高聚物分子链不能进入空间正四面体核心附近，从而造成密度的下降。交联度高的体系分子链段越难以进入，因而对其的影响也越大。　　 作为水声吸声材料，聚氨酷/纳米氧化锌复合材料具有很高的吸声系数((a)。相较于中空玻璃微珠、纳米碳管以及各种纳米粒子，纳米氧化锌对材料的水声吸声性能提高非常明显。研究表明填料的吸声性能是由填料本身的性质决定的，其形态对吸声性能影响不大。粒径20nm的纳米氧化锌在含量为Swt%时，聚氨酷/纳米氧化锌复合材料具有最好的吸声性能.　　 原因是因为氧化锌与异氰酸根的反应，使材料界面大为改善，粒子与基体分子链产生牢固链接，在受到声能作用时，纳米氧化锌粒子产生振动，并传递至周围基体增加了材料的驰豫吸声效果。而纳米氧化锌粒子由于与异氰酸根的反应以及自身的表面效应和尺寸效应，能够强烈的吸附高分子链，不但在界面上形成高分子链运动受限的壳层，同时还造就了相当量的运动能量成梯度变化的高分子链，可以非常显著的提高橡胶的声学阻尼特性。同时纳米氧化锌本身也具有受、吸收声波的作用，这样产生协同作用，使吸声系数大增。　　 本文对解决材料在高压低频下的吸声性能进行了多方的探索，采用增加材料内摩擦，改善基体高分子链驰豫行为以及引入声学构结等方法进行了尝试。结果表明以填料来增大或引入更多内摩擦并不能解决这一问题;而在软段中引入柔顺性更好的PPG2000可以有效的解决这一问题。当PPG2000在软段中的质量分数为30时，材料在整个实验测试频率与压力下具有较高的吸声系数。　　　　　　

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