一种凝胶阻尼减震材料及其制备方法与流程

本发明涉及减震材料，具体涉及一种凝胶阻尼减震材料及其制备方法。

背景技术：

1、研究表明(science 2022,376(6593),624-629.)利用明胶和壳聚糖半互穿网络组成的水凝胶具有优异的仿生粘性键，外部振动刺激将改变壳聚糖和明胶的粘弹性作用(氢键及疏水作用)，并诱导重新排列壳聚糖和明胶链。因此该水凝胶表现出高阻尼和相变，可以实现选择性频率阻尼。但是该凝胶材料机械强度较差，并不适用于高剪切的振动环境。在已有的工作中，凝胶的缓震效能来源于凝胶中高分子网络的在冲击过程中的能量耗散，这种耗散作用主要取决于高分子网络相互作用的重构(粘性键的重构或高分子链空间结构的重构)带来的能量吸收效应。但高分子的弛豫时间是受其分子链结构和介质环境等影响，因此对于高速冲击或者连续冲击中的能量吸收效能是不确定的。

2、尽管凝胶材料在减震应用中表现了极佳的能量耗散效果，但现有的技术路线还不足以实现广泛的应用，凝胶材料的力学特性、稳定性以及实际应用中的适用性都还存在问题，因此仍需要开发新的技术解决凝胶材料面临的诸多问题。

3、凝胶减震材料还面临诸多挑战：材料的阻尼减震效果与材料强度的矛盾。已有的研究中所提到凝胶减震材料机械强度较差，提高材料强度会导致材料阻尼吸能效果变差；其次，因为高分子链的弛豫时间较长，凝胶阻尼材料的被冲击变形后能否快速恢复也是挑战，限制了材料在连续冲击条件下的阻尼减震应用；第三，高剪切条件下材料机械性能较差，不能适用于高剪切应用环境。

技术实现思路

1、针对凝胶材料在阻尼缓震应用中存在的问题，本发明涉及一种凝胶阻尼缓震材料及其制备方法。本发明采用基于粘弹性能量耗散机制的凝胶材料制备方法，即将具有阻尼耗散特性的粘性介质与线性聚合物粘性网络结合，形成具有粘弹性能量耗散的阻尼凝胶材料。其中粘性介质是小分子混合物且具有高的粘度，线型聚合物是可以通过单体聚合在上述中反应形成线性结构。本发明所提供的凝胶材料具有很高的机械强度，同时还可以利用自身能量耗散结构作为具有阻尼效果的缓震材料。

2、具体地，一种凝胶阻尼缓震材料，主要由高分子聚合物和和粘性介质混合而成。

3、在一个实施例中，凝胶阻尼缓震材料主要由高分子聚合物和和粘性介质组成，是由聚合物单体在粘性介质环境中，在引发剂引发聚合反应制成。

4、其中，高分子聚合物5-50份和粘性介质50-95份。

5、高分子聚合物由聚合物单体聚合而成。聚合物单体可以是能通过聚合反应形成高分子链的小分子，本发明中，单体是需要满足可以溶解在粘性介质中，且其聚合物与粘性介质有较好的相容性。其中所述的良好的相容性指所生成的聚合物与粘性介质有很好配伍性，或者能通过添加一定助剂促进其与粘性溶剂配伍性提高的类型。因此，本发明单体选择包括丙烯酰胺、丙烯酸、二甲基丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯或相关类似生物的一种或多种。其中，所述的类似物为丙烯酸酯类衍生物或丙烯酰胺类衍生物等。

6、粘性介质是一种由一种或多种小分子物质与无机填料混合而成的高粘度混合物，该混合物的粘度为大于1000mpa·s。其中粘性介质中的小分子物质是由多羟基化合物10-40份、有机酸10-40份、季铵盐10-40份和水10-100份组成。

7、其中，小分子物质的分子量小于1000，包括多羟基类化合物，如乙二醇、丙三醇(甘油)、季戊四醇等，或者山梨糖醇、木糖醇、蔗糖、葡萄糖、果糖等，或者聚乙二醇200，聚乙二醇400，聚乙二醇600等；有机酸类，如柠檬酸，酒石酸，苹果酸，乳酸等；季铵盐类，如四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四丁基氯化铵、甜菜碱，氯化胆碱等。

8、其中，无机填料含量为5-20份，为纳米颗粒，可以是硅酸盐类、氧化物、碳酸盐类等，具体可以是二氧化硅、镁铝水滑石、硅藻土、炭黑、纳米氧化镁、纳米氧化铝等，颗粒尺寸为20nm-10μm。

9、进一步地，为增加填料与聚合物网络的结构稳定性，无机填料表面需要做表面修饰，常用的硅烷偶联剂等。

10、本发明中，聚合反应可以通过光引发剂或热引发剂引发聚合反应。其中，光引发剂为α-戊二醛酮，2-羟基-2-甲基苯丙酮(pi-1173)，2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(pi-2959)的一种或其它类似的光引发剂。

11、本发明另一个目的是提供凝胶阻尼缓震材料的制备方法。

12、具体地，凝胶阻尼缓震材料的制备方法，包括以下步骤：

13、s1.无机填料准备：取无机填料，在其表面喷洒硅烷偶联剂，研磨，过筛；

14、s2.粘性介质准备：取多羟基化合物、有机酸和季铵盐溶解到水中，然后再加入上述的无机填料，机械搅拌混合均匀，搅拌时间0.5-12小时；

15、s3.凝胶前体溶液准备：将聚合物单体与所述述粘性介质混合，加入光引发剂，搅拌混合均匀，搅拌时间1-12小时，脱气，得溶液；

16、s4.聚合反应：将上述溶液倒入模具中，光照聚合，得凝胶减震材料。

17、所述步骤(1)中，研磨时间为5-60分钟。

18、所述步骤(2)中，为避免聚合物提前反应，控制搅拌温度低于15度，且避光搅拌。

19、所述步骤(3)中，光引发剂用量为单体质量0.01-0.1％。光引发剂为α-戊二醛酮，2-羟基-2-甲基苯丙酮(pi-1173)，2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(pi-2959)的一种或其它类似的光引发剂。

20、所述步骤(4)中，紫外光为光源，光源功率为100-2000mw/cm2；光照时间5-120分钟；反应温度30-60度。

21、本发明与现有技术相比的有益效果：

22、现有技术中，凝胶阻尼材料的缓震性能来源于高分子网络的重构引起的能量吸收和耗散作用，以实现减缓振动或冲击的作用效果。但是受限于高分子链弛豫时间，基于该原理的阻尼缓震材料对高剪切速度或连续作用的振动或冲击的抑制作用较差。

23、本发明提出基于小分子粘性介质的能量耗散机制实现振动或冲击条件下的能量吸收。其中小分子粘性介质作为主要的能量耗散结构，其损耗模量远大于弹性模量，且损耗模量随剪切速率的增加快速增大，当受到外界冲击时，粘性介质中分子粘滞作用会快速吸收冲击的机械能。另外，本发明中引入聚合物网络作为支撑结构，赋予了其良好的结构稳定性和恢复性。此外，聚合物链与粘性介质间的相互作用也会将材料所受到的冲击作用传递到整个凝胶网络，增加能量耗散体积，避免冲击机械能的集聚，因此有更好的阻尼缓震效果。

24、1.独特的粘性介质体系，该粘性介质多羟基化合物、有机酸和季铵盐组成，有高的表观粘度，大于1000mpa·s，其损耗模量远大于弹性模量，且损耗模量随剪切速率的增加快速增大；这样的组成体系保证了介质的粘性来源于分子间的弱相互作用(氢键和静电作用)。

25、2.粘性介质与高分子聚合物的配伍性，粘性介质的设计考虑了与之相互配合的聚合物的配伍性，聚合物网络能提供很好的支撑结构，同时不破坏介质的物性特征。

26、3.无机填料的引入增加材料机械耗散作用，一方面填料的补强作用，增加聚合物链的恢复速度，有利于材料在连续冲击下持续的能量耗散，其次填料的空间阻滞作用，可以很好的承载外在负载对材料的冲击，减小聚合物链的被损坏的可能，增加材料的稳定性和结构强度。

27、4.本发明凝胶材料具有很好的阻尼缓震效果，可以用作减震材料。

28、5.本发明凝胶具有平衡水汽的作用，如可以吸收人体排出的汗液或蒸汽。

29、6.本发明凝胶材料可以在医疗中应用，如作为阻尼垫为长期卧床病患提供保护，减小压疮发生，同时该材料具有很好的平衡水汽的作用，也会增加使用的舒适性。

30、7.本发明凝胶材料也可以作为运动减震鞋垫，坐垫填充材料，可以用在鞋类的支撑缓震材料，不仅具有很好地缓震效果，同时可以吸收汗液，提高舒适性。