含有压电陶瓷纤维的吸声阻尼涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于化工涂料生产技术领域，具体涉及含有压电陶瓷纤维的吸声阻尼涂料及其制备方法。

背景技术

吸声阻尼涂料是一种常用的化工涂料，吸声隔音原理在于其阻尼损耗因子，涂料内部可形成阻尼约束结构，当声音撞击涂料发出振动时，吸声阻尼涂料内部会形成一层阻尼保护层，可有效地将声波的机械能转化为热能而散发掉，从而提高隔音效果。吸声阻尼涂料广泛应用于通风管道、上下水管道、隔音房间隔板、以及车辆侧板和底板等，起到隔音作用。

现有的吸声阻尼涂料中，为了提高其吸声效果，通常是对基体树脂的玻璃化转变温度进行设计，降低基体树脂的玻璃化转变温度可提高其隔音效果，但是过低的玻璃化转变温度会降低涂层的机械性能，并且需要涂覆较厚的涂层，因此会增大涂料的使用量。

中国发明专利申请CN103483957A(一种吸音阻尼涂料)中，在涂料中加入了直径为20-500μm、长度为1-30mm的铝纤维，铝纤维对低频噪音的吸音效果好，该涂料适用于金属材质的室内吸音墙，可减弱金属板壁的振动。但是该涂料中含有硅酮，硅酮具有一定的环境污染性，对人体皮肤和眼睛等具有较强的腐蚀性和刺激性，对人体健康有害。

因此，需要开发一种吸声阻尼涂料，具有良好的环境友好性，同时又具有较高的吸声阻尼强度，满足实际应用需求。

发明内容

本发明提供了一种含有压电陶瓷纤维的吸声阻尼涂料，并给出了该吸声阻尼涂料的制备方法，以解决上述背景技术中提到的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种含有压电陶瓷纤维的吸声阻尼涂料，按照质量份数，包括如下组分：

进一步地，所述丙烯酸乳液包括第一丙烯酸乳液和第二丙烯酸乳液，所述第一丙烯酸乳液的Tg为21-24℃，优选为22℃；所述第二丙烯酸乳液的Tg为-17℃至-14℃，优选为-15℃。

进一步地，所述第一丙烯酸乳液的质量份数为11-16份；所述第二丙烯酸乳液的质量份数为9-12份。

第一丙烯酸乳液为高玻璃化转变温度的基体树脂，第二丙烯酸乳液为低玻璃化转变温度的基体树脂，两种基体树脂搭配使用，可扩大涂料的使用温度范围，在较宽的温域内均具有较好的吸声阻尼性能。

进一步地，所述云母粉包括第一云母粉和第二云母粉，所述第一云母粉的粒径为400目，第二云母粉的粒径为120目。

进一步地，所述第一云母粉和第二云母粉的用量相同，且质量份数均分别为18-21份。

第一云母粉的粒径小于第二云母粉，在涂料中加入云母粉可提高涂层的防腐性、机械强度和阻燃性能，两种不同粒径的云母粉搭配使用，可更好地发挥云母粉的性能能，提高涂料的综合性能。

进一步地，所述涂料中还包括去离子水。为了确保涂料的储存及生产性能，可加入去离子水来调节涂料粘度；同时，在涂料使用过程中，还可根据施工情况，通过添加适量的去离子水来调节涂料的粘度。

同时，上述涂料原材料中，水性分散剂可选所有市售的水性分散剂中的一种或几种，例如丙烯酸盐类聚合物、丙烯酸钠盐类聚合物等，本发明中优选六偏磷酸钠。阻燃剂可选所有市售的阻燃剂填料中的一种或几种，例如溴系、氮磷系、氮系、红磷系、硅系、三氧化二锑、氢氧化镁及氢氧化铝等阻燃剂，本发明中优选TPP粉末。

进一步地，所述压电陶瓷纤维的长度为2-4mm。

进一步地，所述碳纤维的长度为1-3mm。

压电陶瓷纤维和碳纤维可互相搭接形成网络交联结构，用于涂料中时，压电陶瓷纤维和碳纤维的长度不可过长，过长时，会影响涂料的喷涂，因为涂料需要装入喷枪中喷出，纤维过长时，涂料会堵塞枪头，导致涂料无法正常喷涂，从而造成喷出的涂料不均匀，进而影响涂料的使用性能。但是压电陶瓷纤维和碳纤维的长度也不可过短，因为过短时，纤维之间无法形成有效的网络交联结构搭接，因此不能形成通路，无法将涂料中的热量耗散出去。

本发明中，在涂料中加入具有导电性能的碳纤维，涂料中的压电陶瓷纤维吸收到可产生振动的声能后，振动产生压力使压电陶瓷纤维将声能转化为电能，然后通过具有导电性能的碳纤维，将电能转化为热能，最终以热能的形式耗散出去，可大大提高涂料的吸声性能。

进一步地，所述压电陶瓷纤维的制备方法包括如下步骤：

(1)将压电陶瓷原材料粉末加入球磨机，磨碎后预烧，将预烧后的压电陶瓷原材料粉末加入球磨机中滴加油酸，球磨后烘干备用；

(2)将聚乙烯醇缩丁醛加入溶剂中，溶解后得到聚乙烯醇缩丁醛溶液；

(3)按照配比，将球磨并烘干后的压电陶瓷原材料粉末加入聚乙烯醇缩丁醛溶液中，混合搅拌均匀，得混合浆液；

(4)将步骤(3)中得到的混合浆液加入喷嘴中，控制喷出压力，喷出丝绵状纤维；

(5)将丝绵状纤维埋于滑石粉中，并装入耐火匣钵中，置入马弗炉中进行烧结；

(6)取出烧结后的纤维，清理干净后压制成毛毡状；

(7)将压制成毛毡状的纤维进行油浴极化；

(8)将油浴极化后的纤维进行分切，得到压电陶瓷纤维。

上述步骤中，步骤(1)中，压电陶瓷原材料粉末按照质量百分比，包括如下组分：

其中步骤(1)中，加入的油酸可对预烧后的压电陶瓷原材料粉末起到润滑和抗结团作用；预烧后球磨得到的压电陶瓷原材料粉末中，90％以上的粉末粒径在5μm以下。

上述步骤(2)中，聚乙烯醇缩丁醛溶液中的溶剂为丁醇、异丙醇、乙醇中的一种或几种的混合溶剂，聚乙烯醇缩丁醛溶液的质量分数为11-16％；优选溶剂为乙醇，质量分数为15％。

上述步骤(3)中，压电陶瓷原材料粉末与聚乙烯醇缩丁醛溶液的质量比为30-44:60-70；

上述步骤(4)中，选择0.1-0.3mm的喷嘴，控制压力在0.4-0.6MPa，将浆状物从喷嘴的细孔中喷出，并迅速干燥成丝棉状纤维；

上述步骤(5)中，滑石粉的粒径选择400目以上。限制滑石粉的粒径是因为：烧结过程中，聚乙烯醇缩丁醛等有机物首先会融化形成液体，液体会首先进入滑石粉颗粒堆积形成的空隙中，然后再继续升温，有机物会发生热分解变成气体挥发出去；此处选择粒径在400目以上的滑石粉的可确保滑石粉颗粒之间堆积形成的空隙尺寸合理，可对熔融的聚乙烯醇缩丁醛及分散于熔融的聚乙烯醇缩丁醛液体中的纤维起到良好的定型作用。

烧结阶段包括排塑和烧成：(一)排塑过程中，升温曲线为：在室温至450℃过程中，按照50℃/h的速度缓慢升温；450℃-750℃中间在4h内等速缓慢升温。排塑过程中，马弗炉炉门微露缝隙用于排烟，主要是排除原料中的有机物(主要是油酸、聚乙烯醇缩丁醛等)分解产生的气体和水分等，待马弗炉中无烟排出时，即关紧炉门。

(二)烧成过程中，在空气氛围中进行，按照300℃/h的速度升温，最高烧成温度为1280-1300℃，保温时间为1-1.5h，保温结束后停电随炉自然冷却。

上述步骤(6)中，取出烧成后的纤维，清理完成后将杂乱的纤维轻轻压扁，形成毛毡状，并切割得到70mm*150mm左右的纤维毛毡。然后在步骤(7)中，将纤维毛毡的两端蘸上银浆进行固化烧结形成银电极，将其接通13KV左右的高压进行油浴极化；最后步骤(8)中，将油浴极化后的纤维取出，切除两端的银电极部分，其余部分裁切成长度为2-4mm左右的压电陶瓷纤维备用。油浴极化后的纤维即具有压电陶瓷的压电性能。

本发明同时要求保护一种吸声阻尼涂料的制备方法，包括如下步骤：

(一)制备压电陶瓷纤维；

(二)将吸声阻尼涂料中的除压电陶瓷纤维和碳纤维之外的其他组分按照配比混合分散均匀；

(三)在步骤(二)混合分散均匀的物料中加入配方量的压电陶瓷纤维，搅拌均匀，具体为在200-350rpm的转速下搅拌5-15min；然后加入配方量的碳纤维，混合搅拌均匀。

与现有产品相比，本发明的吸声阻尼涂料及其制备方法具有如下优点：

(1)本发明通过在涂料中加入压电陶瓷纤维，对涂层进行导电性设计，使涂料中的压电陶瓷纤维在吸收到声能后可转化为电能，然后以热能的形式耗散出去，提高了涂料的吸声性能；

(2)本发明的涂料选用改进的树脂体系，可同时提高涂料的附着力、柔韧性和抗冲击性能；

(3)本发明中选用高Tg和低Tg的基体树脂搭配使用，可使涂料同时在较高或较低温度范围内均具有较好的使用性能，扩大涂料的使用温度范围。

(4)本发明的涂料选用水性分散体系，减少了使用过程中VOC的挥发，可实现良好的环境友好性，对人体健康无害；

(5)本发明的涂料具有较高的吸声阻尼强度，可降低使用时的涂层厚度，因此具有较小的面密度，可改善涂层本身的机械性能，扩大基体树脂的选择范围。

具体实施方式

下面通过具体实施例进行详细阐述，说明本发明的技术方案。

实施例1

第一，制备压电陶瓷纤维。

压电陶瓷纤维的制备方法包括如下步骤：

(1)将配方量的压电陶瓷原材料粉末加入球磨机，磨碎后预烧，将预烧后的压电陶瓷原材料粉末加入球磨机中滴加油酸，球磨后烘干备用；

(2)将聚乙烯醇缩丁醛加入溶剂中，溶解后得到聚乙烯醇缩丁醛溶液；

(3)按照配比，将球磨并烘干后的压电陶瓷原材料粉末加入聚乙烯醇缩丁醛溶液中，混合搅拌均匀，得混合浆液；

(4)将步骤(3)中得到的混合浆液加入喷嘴中，控制喷出压力，喷出丝绵状纤维；

(5)将丝绵状纤维埋于滑石粉中，并装入耐火匣钵中，置入马弗炉中进行烧结；

(6)取出烧结后的纤维，清理干净后压制成毛毡状；

(7)将压制成毛毡状的纤维进行油浴极化；

(8)将油浴极化后的纤维分切成长度为2-4mm的短纤维，即为压电陶瓷纤维。

其中，上述步骤(1)中，压电陶瓷原材料粉末按照质量百分比，包括如下组分：

其中步骤(1)中，加入的油酸可对预烧后的压电陶瓷原材料粉末起到润滑和抗结团作用；球磨后得到的压电陶瓷原材料粉末中，90％以上的粉末粒径在5μm以下。

上述步骤(2)中，聚乙烯醇缩丁醛溶液中的溶剂为乙醇，聚乙烯醇缩丁醛溶液的质量分数为15％。

上述步骤(3)中，压电陶瓷原材料粉末与聚乙烯醇缩丁醛溶液的质量比为35:65；

上述步骤(4)中，选择0.1-0.3mm的喷嘴，控制压力在0.4-0.6MPa，将浆状物从喷嘴的细孔中喷出，并迅速干燥成丝棉状纤维；

上述步骤(5)中，滑石粉的粒径选择400目以上。

烧结阶段包括排塑和烧成：(一)排塑过程中，升温曲线为：在室温至450℃过程中，按照50℃/h的速度缓慢升温；450℃-750℃中间在4h内等速缓慢升温。排塑过程中，马弗炉炉门微露缝隙用于排烟，主要是排除原料中的有机物(主要是油酸、聚乙烯醇缩丁醛等)分解产生的气体和水分等，待马弗炉中无烟排出时，即关紧炉门。

(二)烧成过程中，在空气氛围中进行，按照300℃/h的速度升温，最高烧结温度为1280-1300℃，保温时间为1-1.5h，保温结束后停电随炉自然冷却。

上述步骤(6)中，取出烧成后的纤维，清理完成后将杂乱的纤维轻轻压扁，形成毛毡状，并切割得到70mm*150mm左右的纤维毛毡。然后在步骤(7)中，将纤维毛毡的两端蘸上银浆进行固化烧结形成银电极，将其接通13KV左右的高压进行油浴极化；最后步骤(8)中，将油浴极化后的纤维取出，切除两端的银电极部分，其余部分裁切成长度为2-4mm左右的压电陶瓷纤维备用。

第二，制备涂料。

制备涂料的原料中，按照质量份数计，包括如下组分：

其中，第一丙烯酸乳液的Tg为22℃，为高玻璃化转变温度的树脂基体；第二丙烯酸乳液的Tg为-15℃，为低玻璃化转变温度的树脂基体；水性分散剂选择六偏磷酸钠；第一云母粉的粒径为400目；第二云母粉的粒径为120目；阻燃剂选择TPP粉末；碳纤维的长度为1-3mm左右。

除了上述原料之外，为了确保涂料的储存及生产性能，可加入去离子水来调节涂料粘度；同时，在涂料使用过程中，还可根据施工情况，通过添加适量的去离子水来调节涂料的粘度。

涂料的制备方法包括如下步骤：

(1)将涂料中的除压电陶瓷纤维和碳纤维之外的其他组分按照配比混合分散均匀；

(2)在步骤(1)混合分散均匀的物料中加入配方量的压电陶瓷纤维，在300rpm的转速下搅拌10min，然后再加入配方量的碳纤维，混合搅拌均匀，即得到涂料。记为S1。

步骤(2)中，碳纤维的加入量最终以涂层的表面电阻在10

实施例2

涂料的制备方法、使用方法与实施例1相同，不同之处在于该实施例2中丙烯酸乳液仅包括第一丙烯酸乳液。

制备涂料的原料中，按照质量份数计，包括如下组分：

制得的涂料记为S2。

实施例3

涂料的制备方法、使用方法与实施例1相同，不同之处在于该实施例3中丙烯酸乳液仅包括第二丙烯酸乳液。

制备涂料的原料中，按照质量份数计，包括如下组分：

制得的涂料记为S3。

实施例4

涂料的制备方法、使用方法与实施例1相同，不同之处在于该实施例4中第一丙烯酸乳液与第二丙烯酸乳液的质量比与实施例1不同。

制备涂料的原料中，按照质量份数计，包括如下组分：

制得的涂料记为S4。

实施例5

涂料的制备方法、使用方法与实施例1相同，不同之处在于该实施例4中云母粉仅包括第一云母粉。

制备涂料的原料中，按照质量份数计，包括如下组分：

制得的涂料记为S5。

对比例1

涂料的制备方法、使用方法与实施例1相同，不同之处在于原料的选用：该对比例1中不添加第一丙烯酸乳液和压电陶瓷纤维。

制得的涂料记为B1。

对比例2

涂料的制备方法、使用方法与实施例1相同，不同之处在于原料的选用：该对比例1中不添加第二丙烯酸乳液、压电陶瓷纤维和碳纤维。

制得的涂料记为B2。

对上述实施例和对比例中得到的涂料进行性能测试：

将涂料直接涂覆于带有防锈底漆的钢板表面，制得干膜厚度约为2-3mm的样板，待样板全部干燥后，参照标准HG/T5058-2016(轨道交通车辆用水性阻尼涂料)和标准TB/T3138-2018(机车车辆用材料阻燃技术要求)，分别对样板进行性能测试，对涂料的阻尼性能进行评价。

测试结果如表1所示。

表1各实施例和对比例中得到的涂料的性能测试结果

由上表1的性能测试结果可知，本发明的涂料具有良好的使用性能，阻燃性能等级高，在较宽的温度范围内均有较好的阻尼性能，同时该涂料属于水性体系，无VOC挥发，属于环境友好型涂料，对操作人员的身体健康无害。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的设计构思之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。