1 引言

互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（ IPN ）是由 2 個(gè)或 2 個(gè)以上獨(dú)立的聚合物網(wǎng)絡(luò)通過(guò)大分子鏈段永久纏結(jié)（或互穿）而形成的一種獨(dú)特聚合物 。 通過(guò)恰當(dāng)?shù)剡x擇原料聚合物體系，可以得到寬阻尼溫度范圍和高阻尼性能的 IPN ，同時(shí)它還兼有較高的耐腐蝕性 、 抗氧化性和機(jī)械性能 。 正是因?yàn)檫@些其它材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)， IPN 材料作為優(yōu)良的阻尼材料日益引起國(guó)內(nèi)外研究者的重視 [1-2] 。 聚氨酯涂層的基體含有大量由異氰酸酯和羥基反應(yīng)形成的氨基甲酸酯極性基團(tuán)，該基團(tuán)的內(nèi)聚能很高 [3] 。 含有大量氨基甲酸酯基團(tuán)的剛性鏈段間相互作用的能量加合起來(lái)是非常大的，在線型聚氨酯鏈之間形成一種假交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 。 在室溫下，聚合物具有共價(jià)鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所表現(xiàn)出來(lái)的物理和機(jī)械性能 。 聚硅氧烷分子結(jié)構(gòu)中， Si 原子上充足的甲基將高能量的聚硅氧烷主鏈屏蔽起來(lái)； C — H 鍵極性很小，使分子間的相互作用力十分微弱；聚硅氧烷呈螺旋狀結(jié)構(gòu) 、 有機(jī)側(cè)基（甲基）朝外排列并繞 Si — O 鍵旋轉(zhuǎn)，引起體積變大，分子中自由體積較大時(shí)，具有這種特殊的分子結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到很大的外力作用時(shí)，容易壓縮 [4] 。 本文將硅氧烷分子鏈嵌入聚氨酯分子網(wǎng)絡(luò)中，則新的 IPN 結(jié)構(gòu)既能保存硅氧烷分子鏈結(jié)構(gòu)中相對(duì)較大的自由體積，又能依賴(lài)聚氨酯的剛性結(jié)構(gòu)在承受較大的壓力下保持形變較小的特性，從而制備出寬壓力范圍內(nèi)的高消聲材料基體 。

2 反應(yīng)原理

本文將含端烯鍵的硅氧烷引入體系，進(jìn)行了改性，其反應(yīng)原理如下 [5] ：

反應(yīng) 1 ，端烯鍵的硅氧烷與二醇加成反應(yīng)：

反應(yīng) 2 ，端羥基硅氧烷與異氰酸根反應(yīng)生成氨基甲酸酯，從而將聚硅氧烷鏈引入分子鏈段中：

3 結(jié)果與討論

3.1 硅氧烷改性對(duì)聚氨酯涂層性能的影響

在固化過(guò)程中，硅氧烷改性樣品的固化速率明顯加快 。 在操作許可的范圍內(nèi)，用量控制在 10% ，在室溫下進(jìn)行阻尼性能測(cè)試，測(cè)試頻率為 5 Hz ，結(jié)果見(jiàn)表 1 。

表 1 硅氧烷改性對(duì)聚氨酯性能的影響

從表 1 可以看出，在測(cè)試頻率為 5 Hz 時(shí)，硅氧烷改性 IPN 結(jié)構(gòu)樣品的拉伸模量和剪切模量降低，損耗因子降低 。

3.2 填料種類(lèi)對(duì)改性聚氨酯涂層吸聲性能的影響

以硅氧烷改性聚氨酯為基體的室溫固化體系涂層中，添加了粒徑在微米范圍內(nèi)的球形和片狀無(wú)機(jī)粉體填料 。 固定粉體填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10% ，研究了填料粒徑和形狀對(duì)涂層吸聲性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表 2 。

表 3 填料對(duì)消聲涂層密度和平均吸聲系數(shù)的影響

從表 2 可以看出，未加填料的 1 號(hào)樣品的吸聲系數(shù)為 62.9% ，加入填料的 2 ~ 5 號(hào)樣品明顯改變了吸聲系數(shù) 。 從中可以看出，吸聲系數(shù)明顯受填料種類(lèi) 、 形狀的影響 。 在微米級(jí)范圍內(nèi)，不同形狀的填料，對(duì)吸聲系數(shù)的影響不一樣 。 從添加了球形顆粒填料的 2 、 3 、 4 號(hào)樣品來(lái)看，球形顆粒填料直徑越小，平均吸聲系數(shù)越高 。 這是由于相同質(zhì)量的填料，粒徑小，涂層中界面增加，聲波在涂層中的衰減增強(qiáng)，吸聲性能增加 。 但是， 5 號(hào)樣品加入平均粒徑為 23.9 μ m 的片狀石墨填料，整個(gè)測(cè)量頻率范圍內(nèi)的平均吸聲系數(shù)增加了 19.3% ，對(duì)吸聲系數(shù)的影響要比球形填料好 。 由此可知，填料本身的特性對(duì)吸聲系數(shù)的影響很重要 。 由 ORNL （美國(guó)國(guó)立橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)所） 生產(chǎn)的碳 - 石墨泡沫比玻璃纖維的熱傳導(dǎo)效應(yīng)高，在 1 kHz 以上具有優(yōu)良的吸聲性能 [6] 。 石墨填料能顯著增加涂層的消聲性能，與石墨本身的片狀結(jié)構(gòu)及其良好的熱傳導(dǎo)效應(yīng)有關(guān) 。

3.3 填料含量對(duì)改性聚氨酯涂層性能的影響

以硅氧烷改性聚氨酯涂層為基體，研究了平均粒徑為 23.9 μ m 的石墨填料的用量對(duì)涂層吸聲系數(shù)的影響，結(jié)果見(jiàn)表 3 和圖 1 。

表 3 填料對(duì)消聲涂層密度和平均吸聲系數(shù)的影響

圖 1 石墨含量對(duì)硅氧烷改性聚氨酯涂層吸聲系數(shù)的影響

填料含量對(duì)吸聲曲線的影響非常明顯 。 特性阻抗（ Z ） 是材料的密度與聲波在材料中的傳播速率的乘積： Z = ρ c [7] 。 聲波在橡膠中的傳播速率： c ＝ E/ ρ 。 由表 3 數(shù)據(jù)可計(jì)算出硅氧烷改性聚氨酯的特性阻抗 Z 0 = ρ c= E ρ =1.259 × 10 5 （ Pa · s ） /m 。 常壓下水的特性阻抗為： 14.5 × 10 5 （ Pa · s ） /m ，比硅氧烷改性聚氨酯的特性阻抗稍大 。 從表 3 可以看到，隨著填料用量的增加，硅氧烷改性聚氨酯基涂層的密度和楊氏模量均有所增加，致使涂層的特性阻抗逐步增大，當(dāng)填料含量為 20% 時(shí)，涂層特性阻抗達(dá) 13.86 × 10 5 （ Pa · s ） /m ，與海水的特性阻抗更匹配，使得聲波的反射減小 。 另一方面，隨著填料含量的增加，涂層內(nèi)的界面增多，從而使衰減增大，這兩方面的綜合作用，使得涂層的平均吸聲系數(shù)增大 。

3.4 空腔結(jié)構(gòu)對(duì)改性聚氨酯涂層吸聲性能的影響

本文設(shè)計(jì)了 2 種類(lèi)型的空腔結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖 2 。 在硅氧烷改性聚氨酯涂層中引入這 2 種空腔結(jié)構(gòu)，考察了空腔結(jié)構(gòu)對(duì)涂層吸聲性能的影響，見(jiàn)圖 3 。

圖 2 2 種不同尺寸的空腔結(jié)構(gòu)

圖 3 2 種空腔結(jié)構(gòu)對(duì)涂層吸聲性能的影響

從圖 3 可以看到，空腔結(jié)構(gòu)一降低了 3 ~ 18 kHz 頻率間的吸聲系數(shù)，說(shuō)明空腔與涂層體系不匹配，有待改進(jìn) 。 涂層體系引入空腔結(jié)構(gòu)二后，平均吸聲系數(shù)為 72.3% ；無(wú)空腔結(jié)構(gòu)的涂層體系，平均吸聲系數(shù)為 70.4% ，空腔結(jié)構(gòu)二提高了聚氨酯橡膠樣品的平均吸聲系數(shù)，對(duì) 8 kHz 以下的吸聲系數(shù)的提高尤其明顯 。 空腔設(shè)計(jì)要與材料的性能相結(jié)合，充分考慮材料的性能與空腔結(jié)構(gòu)的匹配，才能取得好的吸聲效果 。

4 結(jié)語(yǔ)

⑴ 聚氨酯涂層體系經(jīng)聚硅氧烷改性形成 IPN 結(jié)構(gòu)后，其表觀密度 、 拉伸模量 、 剪切模量均降低，因此阻尼損耗因子降低明顯 。 ⑵ 填料種類(lèi) 、 結(jié)構(gòu) 、 含量對(duì)涂層體系的吸聲性能均會(huì)產(chǎn)生影響，通過(guò)添加合適的填料改善涂層體系的特性阻抗，可以使涂層的吸聲性能有明顯的提高 。 ⑶ 空腔結(jié)構(gòu)同樣會(huì)對(duì)涂層體系的吸聲性能產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)與涂層材料相匹配的空腔結(jié)構(gòu)可以提高涂層體系的吸聲性能 。