热塑性聚氨酯弹性体的阻尼机理探析

热塑性聚氨酯弹性体的阻尼机理与其自身粘弹性密切相关。弹性固体能够储存能量，但是却不能耗散能量；黏性液体可以耗散能量，却不能储存能量，只有介于黏性液体和弹性固体之间的粘弹性材料才兼备两者特性。当TPU 链段在交变应力的作用下运动时，分子链之间会产生摩擦，从而将振动能转变为热能。在温度低于TPU 的玻璃化转变温度（Tg）时，由于内摩擦力很大，分子几乎不能运动，而将能量作为位能储存。在温度远高于TPU 的玻璃化转变温度时，链段受到的摩擦力很小，分子极易运动，应力随时间衰减很快，不能吸收足够的机械能。只有环境温度与TPU 的玻璃化转变温度相同或相近时，TPU 的分子链段才能够充分运动，此时应变跟不上应力的变化，应变严重地滞后于应力，呈现显著的阻尼特性。

当一个正弦交变应力作用在TPU 上，阻尼TPU 材料应力、应变与时间的关系曲线如图6－1 所示，从图6－1 可知，同一时刻，应力与应变随时间变化不同步，存在一个相位差δ，这种应变落后于应力的现象称为滞后现象。

图6-1　阻尼TPU 材料应力、应变与时间的关系曲线

ε0为应变最大振幅，σ0为应力最大振幅

正弦应力与应变之间的相位差也可用模量表示，相位差与模量之间的关系见式（6－1）与式（6－2）。通常用力学损耗角的正切值tan δ 来表示内耗，内耗越大则TPU 的减振降噪性能越好。

式（6－1）、式（6－2）中，E″为损耗模量，对应于复模量的虚部；E′为储能模量，对应于复模量的实部；δ 为粘弹材料受激励后，应变滞后于应力的相位角；β 为损耗因子。(www.xing528.com)

内耗的大小与TPU 自身的结构有关。例如，TPU 分子链上没有取代基团时，运动摩擦阻力小，内耗小；有庞大侧基时，分子摩擦大，内耗较大。温度也影响TPU 的内耗。在低于玻璃化转变温度时，TPU 分子的运动只是键长和键角的改变，应变跟得上应力的变化，内耗极小；当温度处于Tg附近时，TPU 分子链段可以运动，分子链间的内摩擦力较大，应变严重落后于应力，内耗大；温度继续升高时，TPU 体系黏度降低，分子链可以自由运动，内耗变小。所以，在玻璃化转变温度附近出现一个内耗峰，此温度范围内TPU 阻尼性能最好。外力作用的频率与内耗也有关系。在低频外力的作用下，TPU 链段能充分运动，滞后现象很小，摩擦内耗小；在高频外力作用下，TPU 链段来不及运动，滞后现象也很小，摩擦内耗小；只有在外力频率不大不小时，链段能运动但跟不上外力的变化，滞后现象明显，内耗出现最大值。

利用TPU 将振动能转变为热能耗散，从而达到阻尼减振的目的，是其阻尼减振技术中最核心的问题。作为性能良好的阻尼TPU 材料必须满足以下几个条件。

（1）损耗因子峰值βmax要尽可能高。

（2）损耗因子大于0.7 的温度范围ΔT0.7要尽可能宽。

（3）有适应工程设计要求的模量。

（4）具有防油污、烟雾、霉菌、核辐射，不燃烧等性能。

（5）不容易老化。