浅谈高分子阻尼材料

阻尼材料？—

一般来说，阻尼材料指的是将固体机械振动转换为热能或其他形式的能量进而耗散的材料，主要应用于抗震与噪声控制。评价阻尼能力的大小的标准是阻尼系数，其值与运动速度材料本身性质温度等有关；具体值则根据不同模型略显不同。

高分子和阻尼材料—

高分子因为其独特的长链纠缠的分子结构决定了其高分子在黏弹作用时，链段运动会克服内摩擦力而使得一部分受到的外力被很好地吸收，从而使体系整体动能减少。人们利用这个性质开发出了数种高分子减震阻尼材料，从减少冲击或缓冲应变，到隔音降噪等效果，高分子的这一特性对各大行业如建筑，医疗，汽车，声学等行业都有着非常广泛的运用。然而只有交联度或结晶度都不是很高的高分子才能在如从玻璃态到高弹态的转变中产生较高的内耗；同时对高分子来说，选择事宜的工作温度是非常重要的，因为只有保证在适当的工作温度与其Tg相一致才能保证其更强的阻尼能力。

减震机理—

为什么一些橡胶，如硅橡胶，能因具有更好的阻尼性能而成为典型的广泛运用的阻尼材料呢？

这是因为高聚物具有的卷曲的多级分子结构，因此分子链的运动会在多层面上应对外力而发生变化；其中，分子构象的改变是储存能量和损耗能量的主要贡献者。除了内耗之外，因为分子的链结构与大分子的运动通常并不能瞬时响应外力变化，具有逐步变化的特点，应变较应力需要有一定的过度适应状态，被称为滞后效应，这也一定程度上增加了形变过程中的能量损耗。对于橡胶而言，其分子的肉顺序是影响其减震性能的主要因素，一般来说，分子的柔顺性越好，Tg越低，阻尼能力越差。相反，当链结构汇总含有极性强或位阻大的侧基时，链段柔顺变差，改变构象消耗的功也越多，阻尼能力越好。交联体系，特别是在橡胶中的硫化体系能够显著影响橡胶的交联度与交联键的类型，进而也影响到阻尼性能。

阻尼结构与工程运用—

在建筑减震的应用场景下，阻尼器对抗的往往是因为大风而引起的大楼晃动和地震时引起的强烈的可能导致建筑坍塌的震动。前者我们可以看到台湾101大楼与顶部中部与底部各配有的重达660吨的金属阻尼球，它可以主动地根据风速调节运动方向以抵消风力影响。建筑学中对抗地震则分别从减震消能结构，隔振，质量调谐减震（台北101）与消能减震等方面同时配置运用，通过一部分次要部件的震动损耗地震带来的能量以换取主要结构的稳定。其中，粘滞消能器则是近些年来利用高分子的流变特性来消耗能量的消能减震器。粘滞消能器利用的是粘流态高分子介质的流动通过孔隙时产生的黏流阻力来消耗能量。如图，工程上，可以用缸式黏滞消能器、圆通式消能器或黏滞阻尼墙等分别通过不同的构造来利用往复运动反复挤压介质以起到阻尼减震作用。

相关分子与改性方法—

目前市场上已经形成规模化运用的有丁基橡胶，硅基胶（硅橡胶），丁腈橡胶等橡胶制品。丁基橡胶是以异戊二烯与异丁烯通过阳离子聚合而形成的线性弹性体，其减震温度在30~50°C反应较好。经过卤化的丁基橡胶有着更好地极性，增强了阻尼性能时提高了与其他高分子的相容性，更容易与其他橡胶共混改性。

硅胶基橡胶是含有硅基直连有机硅氧烷高聚物，其主链具有Si-O-Si结构交替构成.。因为硅原子的空阻，具有更好的阻尼性能且拥有远超其他橡胶的化学稳定性与耐腐蚀性；且它的阻尼起效温度更广，从-50~200°C黏度随温度增加。硅橡胶同时也能与其他橡胶共混改性，或添加入白碳黑等制备更好阻尼性能的复合材料。

丁腈橡胶是通过丁二烯与丙烯腈经由乳液聚合聚合而成的无规共聚物，一般呈黄色或浅黄色。丁腈橡胶具有更高极性因为可以稳定地添加有机小分子提高丁腈硫化胶的阻尼性能。

就像刚刚提到的，对于橡胶阻尼材料来说，改性方法主要以共混改性为主。共混改性是指将橡胶与橡胶或塑料通过机械力的作用将多种组分屋里混合的改性方法，也是最简单的方法。共聚改性则可以改变链段结构，即通过化学方法将不同聚合物连成整体，包括了接枝共聚与嵌段共聚。此外，将有机小分子加入到如丁腈橡胶的极性共聚物中可以加强分子间作用力，增强链与链之间的交联与互穿，增强分子的阻尼性能。

城市高楼大厦林立，也正是这些高分子阻尼材料让这些高楼能在台风中屹立不倒，岿然耸立。