地铁隧道用喷涂型复合聚氨酯-脲阻尼材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料领域，具体涉及地铁隧道用阻尼材料，尤其涉及一种地铁隧道用 复合聚氨酯-脲阻尼材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 城市轨道交通在运行过程中产生的振动和噪声对沿线居民的健康安全、建筑物的 保护、精密仪器的正常工作带来了极大的负面影响。控制地铁振动的主要手段之一就是利 用阻尼材料制成阻尼结构，来达到减振降噪的目的。目前，阻尼材料从材质上分，主要有橡 胶类板材和高分子涂料。橡胶类板材主要是各种橡胶减振衬垫、阻尼橡胶板、橡胶减振器 等，施工时需要使用粘合剂将橡胶板黏贴在被处理部位。这些部分通常是比较平整的物面， 例如钢板、铝板等。而对于地铁隧道等建筑工程，只能使用阻尼涂料，其中最常见的是石棉 沥青阻尼涂料；然而由于其中含有大量沥青、有机溶剂等有害物质，已经被逐渐禁止使用。
[0003] 为了解决复杂形貌表面阻尼材料的施工问题，喷涂型阻尼材料应运而生；喷涂型 阻尼材料利用高分子的粘弹特性，在受到外界振动激励时发生弹性形变而吸收能量。此后， 有研究者将碳纳米管、石墨烯等碳基填料加入到喷涂型粘弹阻尼材料当中，利用碳基材料 表面与粘弹阻尼材料界面之间的相对滑移而增大能量的损耗。然而碳基材料的掺杂量不宜 过大，如果碳基材料含量过多会影响到粘弹型阻尼层的物理性能，使材料的喷涂性能、力学 性能、与基材附着力都有所下降。在碳基材料掺杂量较低的情况下，通过界面之间滑移所产 生的耗能就变得十分有限，无法大幅度对材料的阻尼性能进行提升。
[0004] 发明专利申请2015103724071公开了一种"石墨烯改性聚氨酯-环氧树脂水性阻 尼涂料的制备方法"。该方法先用化学氧化法制备了氧化石墨烯；然后以4,4'_二苯基甲烷 二异氰酸酯和聚四氢呋喃为单体，丁酮为溶剂，二丁基二月桂酸锡为催化剂，以1，4-丁二 醇和2, 2-双（羟甲基）丙酸为扩链剂，1-甲基-2-吡咯烷酮为溶剂制备聚氨酯预聚体。最 后加入环氧树脂形成互穿聚合物网络，去离子水做乳化剂，并加入氧化石墨烯，超声使其分 散，旋蒸去除溶剂，从而得到石墨烯改性的聚氨酯-环氧树脂。虽然该方法以石墨烯为填料 对聚氨酯-环氧树脂互穿聚合物网络进行改性，不但结合了聚氨酯和环氧树脂的优点，而 且同时引进了石墨烯优异的力学性能，提高了涂料的阻尼性能、拉伸强度、以及热稳定性。 然而，该方法的主要目的是提高涂料的力学性能，防止涂料的开裂。从提高阻尼性能的角度 来说，其存在的问题为：其阻尼性能主要来自于石墨烯表面与互穿网络聚合物之间在受到 外界激励时所产生的相对滑移而消耗能量；而由于该发明中石墨烯为单层石墨结构，且体 积含量较少，因此所产生的阻尼性能也十分有限；如果石墨烯体积含量过多则会破坏聚合 物互穿网络结构的连续性，反而使涂料的力学性能有所下降。因此，该方法制备涂料的阻尼 效果非常有限。
[0005] 发明专利申请200910017943. 4公开了"一种喷涂聚氨酯-脲阻尼减振降噪材料"。 所述喷涂型聚氨酯-脲阻尼减振降噪防护材料由等体积的A、R两组分组成，经高压撞击混 合设备混合后喷涂到混凝土底材上，瞬间就形成一层性能优异的阻尼减振降噪防护涂层。 所述A组分为异氰酸酯与聚合物多元醇生成的半预聚体；R组分为端氨、羟基聚醚、二胺类 扩链剂和助剂形成的混合物。该材料具有固化速度快、粘弹性好、强度大、阻尼减振降噪性 能优异等优点，能够在复杂、恶劣环境条件下高效率施工；其阻尼损耗因子为多〇. 05,断裂 伸长率为彡400%，撕裂强度为彡45KN/m，冲击强度为50Kg。然而，其阻尼性能仍然不足以 满足地铁隧道高等减振与特殊减振的阻尼要求。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种地铁隧道用喷涂型复合聚氨酯-脲阻尼材料。本发明所述的喷 涂型复合聚氨酯-脲阻尼材料不但绿色环保，施工工艺简单；而且大大提高了材料的阻尼 效果，对解决城市轨道交通的振动及噪声问题具有非常重要的意义。
[0007] 本发明的技术方案：插层石墨填料，由石墨片层和位于石墨片层之间的高分子聚 合物组成；所述高分子聚合物通过原位聚合的方法引入至石墨片层之间；所述高分子聚合 物包括聚丙烯酸、聚酰胺胺树枝型大分子、超支化聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚吡 咯和聚噻吩中的任意一种或几种。本发明使用多层膨胀石墨为原料，制成的插层石墨填料 可以包含数百层乃至数千层石墨结构，当受到外界激励时这些片层都可以与插层于其中的 聚合物发生相对滑移从而消耗能量，因此其阻尼效果也相当于单层石墨烯的成百上千倍， 在相同体积含量的前提下可以起到更好的阻尼性能。
[0008] 插层石墨填料的制备方法，包括以下几个步骤：①将可膨胀石墨在950-1050°C的 温度条件下膨化l〇_15s(膨胀比率约为300)，得到膨胀石墨；②将步骤①得到的膨胀石墨 和乙醇-水溶液混合后进行剥离石墨片层的处理，得到层间距较大的石墨薄片；③采用原 位聚合的方法将高分聚合物引入至步骤②得到的石墨薄片之间，从而得到插层石墨填料。
[0009] 其中，步骤②所述剥离石墨片层的处理的方法为：将膨胀石墨和乙醇-水溶液超 声处理6_12h，然后最后过滤、烘干；步骤③中所述的高分子聚合物为聚丙烯酸、聚酰胺胺 树枝型大分子、超支化聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩中的任意一种 或几种。所述膨胀石墨和乙醇-水溶液的重量比为1:200-1:300,所述乙醇-水溶液中乙醇 的浓度为75-95%。
[0010] 由于本发明所述插层石墨填料的特点在于对工艺的要求较高，只能采用原位聚合 的方式进行插层处理，而且需要严格控制反应条件。这是因为，如果聚合物的聚合度过高会 使石墨片层之间完全剥离，破坏插层石墨填料的结构，同时也对阻尼性能造成影响。而如果 聚合物的聚合度过低则会使片层与聚合物之间的相对滑移不充分，也会造成阻尼性能的降 低。本发明通过对其制备工艺的控制克服了上述困难。
[0011] 地铁隧道用喷涂型复合阻尼材料，所述喷涂型复合阻尼材料由A、R两个组分按照 体积比1:0. 8-1:1. 2反应得到，所述A组分是由35-60份的低官能度多异氰酸酯和50-70份 聚醚多元醇合成的半预聚物；所述R组分包括15-60份二胺扩链剂，10-75份端氨基聚醚， 10-70份端羟基聚醚，1-30份插层石墨填料，1-30份助剂；所述插层石墨填料由石墨片层和 位于石墨片层之间的高分子聚合物组成；所述高分子聚合物通过原位聚合的方法引入至石 墨片层之间；所述高分子聚合物包括聚丙烯酸、聚酰胺胺树枝型大分子、超支化聚氨酯、聚 甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩中的任意一种或几种。
[0012] 石墨作为多层结构，其层间距约为0.34nm，片层之间因受到范德华力的束缚而无 法发生较大幅度的滑移，在添加到粘弹阻尼材料之中后，只有出于最外层的两个石墨片层 参与到界面滑移而起到减振的效果，而数量庞大的中间层都无法发挥作用。本发明在阻尼 材料中添加的插层石墨填料，通过原位插层的手段在石墨片层之间引入有机高分子，使石 墨片层之间的距离变大，从而克服范德华力的束缚。因此，在受到外界振动激励时除了材料 因受到剪切变形而吸收能量外，插层石墨填料与粘弹阻尼材料之间以及插层石墨填料内部 都会发生石墨片层与高分子之间的相对滑移而消耗能量，从而大幅度提升了复合材料的阻 尼性能。此外，由于插层石墨填料的阻尼原理与粘弹阻尼材料完全不同，因此可以对不同频 率的振动能量进行吸收，大大增加了复合材料的阻尼频率范围。此外，本发明还可以通过对 插层石墨填料中的聚合物进行分子设计，实现对特定频率能量的重点吸收。与发明专利申 请200910017943. 4对比，本发明的阻尼损耗因子提高30%，断裂伸长率提高20%，撕裂强 度提高11 %，冲击强度提高20 %。
[0013] 其中，所述插层石墨填料通过以下方法制备得到：①将可膨胀石墨在950-1050°C 的温度条件下膨化l〇-15s，得到膨胀石墨；②将步骤①得到的膨胀石墨和乙醇-水溶液混 合后进行剥离石墨片层的处理，得到层间距较大的石墨薄片；③采用原位聚合的方法将高 分聚合物引入至步骤②得到的石墨薄片之间，从而得到插层石墨填料。步骤②所述剥离石 墨片层的处理的方法为：将膨胀石墨和乙醇-水溶液超声处理6-12h，然后最后过滤、烘干； 步骤③中所述的高分子聚合物为聚丙烯酸、聚酰胺胺树枝型大分子、超支化聚氨酯、聚甲基 丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩中的任意一种或几种。所述膨胀石墨和乙醇-水溶液 的重量比为1:200-1:300,所述乙醇-水溶液中乙醇的浓度为75-95%。
[0014] 其中，所述A组分中的低官能度多异氰酸酯的官能度为1-2. 4,聚醚多元醇的官 能度为2-4 ;所述R组分中的二胺扩链剂的官能度为2,端氨基聚醚挂能度为2-4。优选的 是，所述低官能度多异氰酸酯为以下任意一种或几种：甲苯二异氰酸酯、亚苯基碳化二亚 胺-脲酮亚胺改性的4, 4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、多亚甲基二异氰酸酯、多苯基多异氰酸 酯、4, 4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、高2, 4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、环已二异氰酸酯、多苯 二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸