烘烤型水性阻尼涂料的外观控制及其阻尼性能

张金平，高之香，李建武，李士学

（三友（天津）高分子技术有限公司，天津 300211）

市面上的阻尼材料有很多种，主要是硫化橡胶阻尼材料、沥青阻尼材料、溶剂型阻尼涂料、水性阻尼涂料。目前汽车行业大多采用沥青阻尼板，其成本低、使用方便，但是环保性能差[1，2]。

水基阻尼涂料以水为分散介质，其中VOC含量非常低，安全环保；而且水性阻尼涂料具有卓越的阻尼性能。随着汽车产业政策的要求和人们环保意识的增强，水性阻尼涂料将被各大主机厂所采用[1～6]。

沥青阻尼板的固化条件是140℃烘烤30 min，本文研究的烘烤型水性阻尼涂料的固化条件相同。由于烘烤型水性阻尼涂料的涂层较厚，达1～2 mm，在140 ℃烘烤干燥时，水分急剧挥发导致出现鼓泡问题，因此烘烤型水性阻尼涂料的外观控制是本研究的重点，也是难点之一，本文还研究了乳液的含量、填料粒径及微球发泡剂对烘烤外观的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

水性丙烯酸乳液，陶氏化学（中国）投资有限公司；Dispex CX4320羧酸共聚物钠盐分散剂，巴斯夫（中国）有限公司；Hydropalat WE 3485磺基琥珀酸酯润湿剂，巴斯夫（中国）有限公司；FoamStar ST 2410星型聚合物消泡剂、Rheovis HS 疏水改性碱溶涨增稠剂，巴斯夫（中国）有限公司；F-36微球发泡剂，日本松本油脂制药株式会社；云母粉，工业级，滁州市宝塔绢云母矿业有限责任公司；重质碳酸钙，工业级，石家庄艾伦矿产品有限公司。

1.2 仪器与设备

高速分散机GFJ-04，江阴市双叶机械有限公司；GI-ODT型阻尼测试分析系统，上海泉众科技有限公司；一般实验室仪器。

1.3 性能测试

阻尼性能：按照GB/T 16406—1996《声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》测试所制备烘烤型水性阻尼涂料的复合损耗因子ηc。

制备测试样件：冷轧钢板尺寸为200 mm×10 mm×1 mm，阻尼涂层的尺寸为200 mm×10 mm，固化后的阻尼涂层厚度至少2 mm，固化条件为140℃烘烤30 min。

2 结果与讨论

2.1 乳液的选择

本文选用玻璃化温度为0℃和16℃的2种水性丙烯酸乳液复配，固含量为70%左右，所制备的水性阻尼涂料的阻尼性能在20℃左右达到最佳值，在-10～50℃内均具有优良的阻尼性能。

根据DMA的测试结果，2种乳液复配后的玻璃化温度在20℃左右，不同的配比稍有差异，高分子粘弹材料的阻尼性能在玻璃化温度左右达到最佳值，但是填料的加入使得阻尼性能的峰值向高温方向移动。

涂料配方中乳液含量过低，则烘烤后的涂层容易开裂；乳液含量过高，则烘烤固化过程中容易出现鼓泡现象。因此，乳液的含量在30%～40%内时比较适宜，并在此范围内测试乳液含量对阻尼性能的影响，结果图1所示。

图1 乳液用量对复合损耗因子的影响Fig.1 Effect of emulsion content on composite loss factor

由图1可以看出，在乳液用量30%～40%内，随着乳液用量的增大，-10～0℃的复合损耗因子没有明显变化；而0～50℃内，复合损耗因子明显降低，即适当减少乳液的用量有利于提高阻尼性能。这可能是由于适当降低配方中的乳液含量，则配方中水分含量降低，烘烤后涂膜会更加致密，即涂膜的干膜比重较大，增大比重有利于提高阻尼效果。

2.2 云母粉粒径对阻尼性能的影响

本实验选择重质碳酸钙和云母粉作为填料。分别对不同粒径的云母粉进行了实验。实验过程中发现，云母粒径越小，越不利于烘烤固化过程中水分的蒸发，容易引起鼓泡问题；较粗糙的填料粒径有利于水分的蒸发，大粒径云母制备的阻尼涂料烘烤后不容易出现鼓泡问题；这可能是由于粗糙的调料比表面积小，表面能低，吸附性能也低。然而云母粒径过大，烘烤后表面会过于粗糙，综合考虑后，100～300目云母为最佳选择。分别用100目、200目、300目云母配制样品，测试阻尼性能，其结果如图2所示：

图2 云母粒径对复合损耗因子的影响Fig.2 Effect of mica particle size on composite loss factor

由图2可以看出较大粒径云母可以提高低温段的阻尼性能，而较小粒径云母有利于提高高温段的阻尼性能。

2.3 微球发泡剂的选择

微球发泡剂F-36的加入更好地控制了烘烤过程中的鼓泡问题。在加热烘烤过程中，发泡微球体积膨胀产生微孔，从而有利于水分的蒸发，防止烘烤鼓泡。适宜的微球发泡剂应具有如下特征：起始发泡温度在80℃左右，最佳发泡温度在100℃左右。

微球发泡剂的加入量也是有适宜的范围的，加入量过少对于鼓泡控制效果不理想，而加入量过多则涂料的发泡率增大，固化后的涂层强度会明显降低，而且表面易有裂纹。经过实验，微球发泡剂的加入量为0.2%～0.6%比较适合。微球发泡剂加入量对烘烤效果的影响如表1所示。

表1 微球发泡剂加入量对烘烤外观的影响Tab.1 Effect of expandable microsphere content on baking appearance

2.4 阻尼性能检测对比结果

根据GB/T 16406—1996《声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》测试了所制备样件的复合损耗因子，该测量结果用于评价复合结构试样的振动阻尼性能[7]。

对比样件：自制烘烤型水性阻尼涂料与沥青阻尼板。

制备3个平行样件测试常温20 ℃下的复合损耗因子，并计算平均值，结果如表2所示。

表2 20℃下复合损耗因子的检测对比结果Tab.2 Comparative result of composite loss factors at 20℃

由表2可以看出，自制烘烤型水性阻尼涂 料的复合损耗因子最高值达到0.28，而在该温度下沥青阻尼板的复合损耗因子只有0.1，烘烤型水性阻尼涂料的阻尼性能远高于沥青阻尼板的阻尼性能。

然后各选取其中一条样件测试-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃7个温度下的复合损耗因子数值，绘制复合损耗因子随温度变化的曲线，结果如图3所示。

图3 复合损耗因子变温测试对比结果Fig.3 Comparison of composite loss factors at different temperatures

由图3可以看出，在各个温度点烘烤型水性阻尼涂料的阻尼性能均高于沥青阻尼板。这是由于水性阻尼涂料用乳液属于高分子材料，高分子材料特有的黏弹性使其形变滞后于应力的变化，部分机械能以热或其它形式消耗掉，通过产生力学损耗起到阻尼作用，一般在Tg区域内表现出最佳的阻尼性能。当温度在Tg区域内时，高分子链段处于黏弹态，体系黏度高，链段运动受到的摩擦阻力大，形变滞后于应力变化，导致体系内耗较大，阻尼性能较高；当温度低于Tg时，高分子链段处于坚硬的玻璃态，分子间链段的滑移现象极少，外力作用于高分子材料时只能引起链长和键角的改变，而这种形变很小，故体系的内耗较小，阻尼性能也较低；当温度高于Tg时，高分子链段处于高弹态，链段运动较自由，链段间的滑动能够很快恢复，故体系内耗也较小，相应的阻尼性能也低[7]。

3 结论

（1）选用水性丙烯酸乳液的玻璃化温度为0 ℃和16 ℃2种复配，所制备的水性阻尼涂料的阻尼性能在20 ℃左右达到最佳值。配方中乳液的最佳含量为30%～40%。

（2）填料的粒径对烘烤外观影响很大，选择100～300目云母作为阻尼填料，烘烤后涂层外观较好。

（3）微球发泡剂的加入可有效控制烘烤鼓泡的问题，所选发泡微球起始发泡温度在80 ℃左右，最佳发泡温度在100 ℃左右。微球发泡剂的最佳用量为0.2%～0.6%。

（4）制备的烘烤型水性阻尼涂料20 ℃的复合损耗因子最大值可达0.28，该值远高于沥青阻尼板的检测结果。