王樹森、田斌、朱學東、于海劍、閻中超

（1 駐某軍事代表室；2 中國船舶系統(tǒng)工程研究院；3 淄博火炬能源有限責任公司）

橡膠消音壁板的配方和結構設計與性能測試

王樹森1、田斌2、朱學東3、于海劍3、閻中超3

（1 駐某軍事代表室；2 中國船舶系統(tǒng)工程研究院；3 淄博火炬能源有限責任公司）

本研究設計了一種室內用復合聲學腔體結構的多功能型微孔橡膠裝飾壁板，該板材不僅具備良好的物理吸附功能和離子交換性能及阻燃、隔熱保溫性能，還有著優(yōu)良的寬頻吸隔聲性能和阻尼減振特性。

前言：

噪聲污染、空氣污染和水污染是當今世界公認的三大環(huán)境污染源?！笆晃濉逼陂g，國家在環(huán)境資源保護方面明確了要加強噪聲治理行業(yè)的建設。從經濟發(fā)展趨勢看，隨著物質生活的發(fā)達，人民對居住環(huán)境的要求也會越來越高，除美觀、環(huán)保、阻燃、耐久性等常規(guī)要求外，對材料的吸聲、隔聲、阻尼隔振等功能特性也提出了新的需求。傳統(tǒng)以及目前市場上新興的消聲材料雖然種類繁多，但多數材料在多功能性方面尚有欠缺；少數新興材料雖然具備一定的功能特性，限于產品結構及材料特性的局限，其綜合應用性能仍顯不足。目前城市居民在住宅需求上已經從追求簡單生存空間轉向追求高品質生活環(huán)境上。在北京、上海、深圳、天津等噪音污染較重的城市，居民對高效隔聲門窗、隔聲板產品需求十分強烈。當前我國新型建筑體系以及高層建筑要求自重輕，隔墻結構趨向于輕薄，輕質隔墻隔聲性能較差，單層墻的隔聲量無法滿足住宅分戶墻的最低隔聲要求。為提高隔音效果，國內外建筑聲學工作者已進行了大量的研究工作，目前的研究大多是通過對多層組合板材料的密度、厚度、孔隙率、阻尼剛度等有關參數在低頻范圍內的性能研究。然而，傳統(tǒng)的隔聲技術一直難以有效地提高寬頻帶范圍的噪音隔聲效果。鑒于此，本文在多孔隙率材料中增加具有吸隔聲功能的周期梯度分布的圓柱型諧振聲學腔體結構，并在腔體直徑轉變區(qū)域引入非諧振漸變吸聲結構，制成橡膠消音壁板。該壁板綜合了硅藻泥裝飾壁材、吸隔音板等材料的優(yōu)點，除具備較好的物理吸附功能和離子交換性能特性、阻燃、隔熱保溫等性能外，還具有較高的寬頻吸隔聲性能和阻尼減振特性?？蓱糜诮ㄖ邮?、噪聲車間、輕軌道路隔音、船舶艙室等領域，其使用壽命長，應用范圍廣。

1 產品配方和結構設計

1.1 配方設計及材料功能特性

橡膠的特性阻抗很小，如果橡膠的特性阻抗平均值為0.5，則軟鋼的特性阻抗是其788倍，木材的特性阻抗是其70倍，水的特性阻抗是其29倍。此外，同一聲速的金屬與木材相比，由于后者的密度小，所以特性阻抗也小。因此密度對于控制特性阻抗大小具有重要作用。通常，當相鄰兩種介質的特性阻抗相近或相等時，我們稱為阻抗匹配，反之稱為阻抗失配。只有在兩種介質的特性阻抗相近時，聲波在界面才不發(fā)生反射。橡膠的密度雖然比空氣大，但與其它材料相比，仍屬于密度較低的一類材料；而且由于橡膠具有較高的填充性能（與塑料相比），可以用填料和其它組分調節(jié)密度，以進一步降低密度，使之與空氣近似匹配，這也是橡膠或塑料等高分子材料常用作吸聲材料的原因。各物質特性阻抗見表1。

表1 各種物質的特性阻抗

高分子材料，特別是以橡膠態(tài)存在的高分子材料用作吸聲材料具有其它材料所沒有的優(yōu)點：通過選取不同的膠料以及配合劑的種類和比例，能夠有效地控制其聲學特性和其它性能；橡膠的大分子鏈運動形式繁多，松弛時間譜很寬，能夠吸收寬頻帶的聲波。因此，橡膠在減振降噪領域中得到廣泛應用。通過在橡膠材料中添加高孔隙率的填料或其它發(fā)泡劑（開孔），使材料具有一定含量的微孔腔，可大大增加材料的吸聲性能。本設計在材料配合方面的功能原理是利用硅藻土高孔隙率的特性實現材料保溫隔熱、吸光、阻燃、吸聲降噪以及物理吸附等功能。橡膠材料選擇非污染型自補強性橡膠，如NR和CR122型等，本試驗采用山西大同橡膠集團生產的非污染性CR1221用于基體材料。功能型填料采用多孔隙率材料-硅藻土，孔隙率≥90%，密度0.4～0.5g/cm3。硅烷偶聯劑為KH-550。多功能橡膠壁板材料配方見表2。

表2 橡膠壁板材料配方

由于材料配合采用高強度的氯丁橡膠填充硅藻土（質量份每100份橡膠填充400份硅藻土），因此材料綜合特性兼?zhèn)淞朔俏廴拘妥匝a強氯丁橡特有的優(yōu)異理化性能和硅藻土的功能特性，屬于開孔的微孔橡膠材料，該材料具有以下優(yōu)點：

① 物理機械強度高，具有較高的拉伸強度和抗沖擊強度。由于采用氯丁橡膠作為基體，氯丁橡膠分子絕大多數由線形結構的 α-聚集體組成，分子結構規(guī)整，分子鏈上含有Cl-極性基團，分子間作用力大，在外力作用下，易拉伸結晶，故具有高拉伸強度和抗刺扎性能；加上橡膠為彈性體，其抗沖擊性能優(yōu)異。

② 優(yōu)良的耐老化性能 氯丁橡膠分子鏈的雙鍵上連接有氯原子，使得雙鍵和氯原子都變得不活潑，因此其硫化橡膠的穩(wěn)定性良好，不易受大氣中的熱、氧、光的作用，具有優(yōu)良的耐老化（耐侯、耐臭氧以及耐熱等）性能。

③ 優(yōu)異的阻燃性 氯丁橡膠的耐燃性是通用膠中最好的，純膠具有不自燃的特點，接觸火焰可以燃燒，但隔絕火焰即自行熄滅；填充 400份硅藻土后阻燃性能進一步提高，接觸火焰仍不燃燒。

④ 優(yōu)良的耐油、耐溶劑性能 氯丁橡膠的耐油性僅次于丁腈橡膠而優(yōu)于其它通用橡膠。這是因為氯丁橡膠分子含有極性氯原子，增加了分子的極性。根據相似相溶的原理，一般含碳化合物（即指油類）沒有極性或極性很小，所以很難使氯丁橡膠溶脹或溶解。

⑤ 氯丁橡膠的耐化學腐蝕性也很好，除強氧化性酸外，其它酸、堿對其幾乎沒有影響。

⑥ 電性能 氯丁橡膠體積電阻系數為1010～1012?·cm，擊穿電壓為 20MV/m，因此在600V以下的電壓使用具有良好的絕緣性能。

⑦ 耐水性能和耐溫度變化性能優(yōu)異?？稍诔睗癍h(huán)境下（如浴室）以及-30℃～90℃環(huán)境下正常使用。

1.2 產品結構設計及其功能作用

1.2.1 結構設計

聲波是一種機械波，聲波的傳播必須依靠介質，通過介質中質點的振動傳播能量。在彈性介質中，聲振動傳播過程類似于多相質點－彈簧振子互相耦合而形成的系統(tǒng)，一個振動的運動會影響其他振子跟著運動起來。根據質點的振動方向和聲波傳播方向之間的關系，可以把聲波分為縱波和橫波（又稱剪切波）兩類。在介質中聲波振動的傳播方向與質點的振動方向一致，這種聲振動過程就是縱聲波，見 圖 1（a）。在介質中聲波振動的傳播方向與質點的振動方向不一致時，這種聲振動過程就是橫波，見 圖 1（b）。

圖1（a）

圖1（b）

聲波傳播，實際是聲壓的傳播，依靠振動質點振動來傳遞能量。聲波的能量不同，質點振動在傳播過程中會引起高分子中不同尺寸運動單元的運動。橡膠分子的多層次結構及柔性分子鏈的運動特性，使其具有一定的粘彈性。當縱聲波傳入彈性體中時，高分子彈性體材料在振動作用下會產生剪切形變，導致質點的振動方向與聲波的傳播方向產生一定的偏離。因此會有切變彈力產生，在其中傳播的波除了縱波外，還有部分橫波。用吸聲方法來降低噪聲，在噪聲控制工程中極為普遍。當聲波入射到物體的表面時，有一部分聲波會反射回去，而另一部分聲波會進入物體，進而被物體所吸收而轉化成熱能。聲波被物體吸收的現象稱為吸聲，吸聲材料是一種能夠吸收聲波、有效降低噪聲的功能材料?；w材料改性實現高孔率和聲學結構設計是提高材料吸聲性能的兩種主要技術途徑。由于橡膠具有粘彈性，當聲波或振動波對其施加周期性外力時，產生周期性的變形，橡膠分子鏈在松弛過程引起應變落后于應力的滯后效應，產生能量損失。在橡膠中填充高孔隙率的硅藻土，硫化后材料內部可形成均勻的微孔空腔，在聲波或振動波作用下發(fā)生形變時，由于材料的微孔內摩擦作用和材料的彈性松弛作用，把傳入的能量轉變?yōu)闊崮軗p耗。硅藻土裝飾壁板、吸隔音板的主要功能特性是通過均勻的微孔實現物理吸附和能量內摩擦作用的；但是，對于均勻微孔材料而言，阻抗匹配與增加損耗是互相矛盾的，所以用均勻的微孔材料很難達到良好的吸、隔聲性能，必須復合一定的諧振聲腔結構。本研究根據不同頻段的噪聲聲強度的頻率特點，在兼顧微孔材料特有性能的同時，在產品結構設計上做出突變型諧振結構，即在微孔橡膠內部設有內徑突變的圓柱空腔，產品結構示意圖見圖2。

圖2 橡膠消音壁板結構示意圖

1.2.2 主要功能作用

產品表層既為防護層也稱為裝飾層，由厚度為1mm的微孔橡膠組成，可根據需要制備成任意顏色和圖案，同時具備聲透射功能和防護作用。功能層為復合聲學結構的高孔率微孔橡膠，是實現橡膠消音壁板吸聲性能的主體構件。

（a） 微孔的吸聲作用

由于高分子吸聲材料的體積壓縮模量很大，而剪切模量很小，在實用中聲壓作用在大面積的高分子吸聲材料表面，相當于壓縮。所以制備常壓下的吸聲材料，常常制成氣泡性材料，以增大材料的可壓縮性。當聲波入射到材料時，引起材料中微孔的空氣運動，由于空氣的黏滯性和孔壁與空氣間的熱傳導作用，使聲能衰減。當聲波入射時，氣泡可將其周圍介質的體積壓縮形變轉變?yōu)榧羟行巫?，增加材料的內耗。特別是可以設計適當的孔型使之在一定頻段出現明顯的共振吸收峰。在高分子吸聲材料中混入氣泡性填料時，材料的聲速顯著下降，衰減常數明顯增加。在一定的范圍內，材料的聲速隨填料含量的增加而降低，衰減常數隨填料含量的增加而增加。若采用剪切模量小、剪切損耗大的材料作基料，則添加氣泡性填料后，吸聲效果更加顯著。

（b）聲學空腔的結構與吸聲作用

在聲學腔結構中，單一的圓柱型空腔存在共振吸聲頻段較窄的缺點，在其尾部引入阻抗?jié)u變空腔并復合內徑突變的圓柱空腔，可實現縱波向橫波的轉化，在空腔壁產生耗散效率較高的橫波，因而材料吸聲性能顯著增強。當聲波通過表層進入消音壁板內部或從功能層射入時，以縱波為主，縱波在橡膠壁板聲腔界面?zhèn)鞑ミ^程中，不斷地轉變?yōu)榧羟胁?。這樣在壁板聲腔內傳播的彈性波中縱波的成份越來越少，剪切波成份越來越多，同時材料具備高孔隙率和較低孔徑，因而具有較高的剪切損耗因子和適當的模量值，能夠大量消耗進入消音壁板內的聲波能量，達到良好吸聲效果。

2 成型工藝

2.1 硫化成型

采用800T平板壓力機進行硫化成型，并使用專用模具輔助模溫機進行加熱硫化。根據加料量在 40℃的加熱工作臺上對功能層膠片進行預熱10min，在模具型腔內依次放入表層膠片，功能層膠片；合模硫化。表層和功能層膠片在裝模前均要按規(guī)格要求制成一定的形狀，各層膠片厚度為也要控制精確。

硫化成型參數：溫度 155℃±2℃；硫壓力20MPa±1 MPa；時間：20min。

2.2 產品裝配

將成型后的產品表面處理后粘接在安裝板上，安裝板采用微孔泡沫鋁板，其厚度、寬度和長度根據施工現場實際尺寸加工。

3 性能檢測

3.1 物理性能檢測

依據相關標準，對橡膠消音壁板材料的拉伸強度、橫向伸長率、耐熱空氣老化、耐臭氧老化、耐油介質等理化性能進行檢測。壁板的橫向拉伸性能檢測結果見表4。

表3 各層拉伸性能的檢測結果

橡膠消音壁板材料經過熱空氣老化試驗、耐濕熱老化試驗、人工氣候老化試驗、耐油介質試驗等耐環(huán)境性能試驗后強度和伸長率變化結果見表5。

表4 耐環(huán)境試驗后外觀、強度和伸長率檢測結果

3.2 材料功能特性測試

橡膠消音壁板的主要功能特性是具有優(yōu)良的吸聲性能，復合聲腔結構的試樣的聲學性能是表征其功能特性的關鍵測試項目，對該項性能進行了測試。

人體內器官固有頻率基本上在低頻和超低頻約在(5～15)Hz范圍內，很容易與低頻聲音產生共振，正常聽覺范圍是（20～20000）Hz，頻率低于500Hz的聲音為低頻聲音。根據上述對人體有影響的聲波頻率范圍，為驗證橡膠消音壁板的聲學性能是否具備良好的吸聲降噪效果，試驗制備了復合消音壁板聲學結構的純氯丁橡膠（含 N330碳黑40份）聲學試樣（代號為：CR結構）、使用橡膠消音壁板功能層配方制備了未帶聲學腔體結構的聲學試樣（代號為S-功能層）、橡膠消音壁板結構和配方制備的聲學試樣（代號為XJbc結構）。三類聲學試樣各3個。試樣規(guī)格均為Φ120×30mm。按GB/T 18696.2-2002，測試樣品的吸聲曲線和不同頻率范圍的吸聲系數，檢測結果如下。

表5 聲學試樣吸聲系數測試計算結果

4 結論

提高橡膠消音材料吸聲性能是控制噪聲的關鍵技術手段。本文在對微孔橡膠材料和諧振吸聲聲腔結構的消音作用機理進行研究的基礎上，經對材料配方、聲學結構和成型工藝進行系統(tǒng)研究后，研制了一種室內用帶有聲學腔體結構的橡膠消音壁板。通過板材的物理機械性能、耐環(huán)境性能檢測以及不同頻率范圍內聲學性能的對比測試，形成結論如下。

耐環(huán)境試驗測試結果表明，橡膠消聲壁板材料經過耐熱空氣老化、表層耐濕熱老化、表層耐油介質、表層人工氣候老化等一系列試驗考核，其物理機械性能基本保持不變，說明板材具有良好的耐環(huán)境適應性，能夠滿足工程實用要求。

從聲學性能測試結果可以看出，橡膠消音壁板的聲學結構會對吸聲性能產生影響。當材料確定以后，在板材中引入設計的聲學結構，可形成較大的阻抗梯度，使聲波產生較強的共振吸收，可在全頻范圍內提高板材的吸聲性能。