趙學(xué)雷，蔡 俊，秦 銘，常崇軒，霍志保

(1. 上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；2. 上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、建筑和電器等行業(yè)的高速發(fā)展，伴隨而來產(chǎn)生的噪聲污染問題也日益嚴(yán)重，噪聲不僅影響人們?nèi)粘５墓ぷ?、學(xué)習(xí)，而且對(duì)人體的健康有著不可忽視的危害，如會(huì)引起心血管疾病、損傷聽力等[1]。因此人們對(duì)于噪聲的治理以及隔聲材料的需求也日益強(qiáng)烈。由于傳統(tǒng)隔聲材料受限于質(zhì)量定律的作用而有密度高、質(zhì)量重等問題導(dǎo)致其加工難度大、應(yīng)用范圍受限[2]。為此輕質(zhì)隔聲材料的研發(fā)成為熱點(diǎn)，其中多孔材料和填料/聚合物材料是較為理想的輕質(zhì)隔聲材料[3-4]。

為此，本文以中空玻璃微球(HGM)為填料，以丁腈橡膠(NBR)和聚氯乙烯(PVC)為基料，制備了HGM/NBR—PVC復(fù)合材料，除了研究中空玻璃微球的不同添加量對(duì)隔聲性能的影響外，還著重探究了不同粒徑的中空玻璃微球?qū)Σ牧系母袈曅阅芤约傲W(xué)性能的影響。

1 理 論

圖1為HGM/NBR—PVC復(fù)合材料隔聲原理示意圖。如圖所示當(dāng)入射聲能(Ei)到達(dá)材料表面時(shí)有一部分聲能(Er)經(jīng)材料表面反射回去，另一部分聲能則進(jìn)入材料內(nèi)部經(jīng)基質(zhì)-微球界面S1反射后穿透玻璃微球壁面到達(dá)微球內(nèi)壁-空腔界面S2并在空腔內(nèi)部進(jìn)行多次反射，穿透空腔的一部分聲波再次經(jīng)過微球內(nèi)壁-空腔界面S3和基質(zhì)-微球界面S4的折射和衍射后經(jīng)過材料穿透出去(Et)。復(fù)合材料內(nèi)部的NBR-PVC基質(zhì)、玻璃微球壁面以及玻璃微球內(nèi)部空腔這3部分在材料內(nèi)部構(gòu)成了大量的聲阻抗不匹配雙界面(S1-S4)，這些界面不僅增加了聲波的反射和衍射現(xiàn)象，而且延長(zhǎng)了聲波傳輸?shù)穆窂侥軌蛳母嗦暷芰浚雇干渎暷芰看蠓档?，從而達(dá)到良好的隔聲效果[20]。并且微球的中空結(jié)構(gòu)能夠多次反射進(jìn)入空腔內(nèi)的聲波來消耗一部分聲能，此外，空腔內(nèi)部空氣由于聲波的能量而發(fā)生膨脹壓縮做工的過程能將一部分聲能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和熱能而消耗掉，因此會(huì)進(jìn)一步消耗聲能量達(dá)到減小透射聲能量的目的。

圖1 HGM/NBR-PVC復(fù)合材料隔聲原理示意圖Fig 1 Schematic diagram of sound insulation principle of HGM/NBR-PVC composite material

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

丁腈橡膠(NBR—3355，丙烯腈(CHN)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33 %，寧波德合橡膠有限公司)；聚氯乙烯(PVC，牌號(hào)：WS-1000S，上海氯堿化工股份有限公司)；中空玻璃微球(HGM，型號(hào)：VS5500，粒徑：15-85 μm，密度：0.38 g/cm3，美國(guó)3M公司)；鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)；N-(氧化二亞乙基)-2-苯并噻唑次磺酰胺(NOBS)；三鹽基硫酸鉛(3PbO·PbSO4·H2O，石家莊宏達(dá)鋅業(yè)有限公司)；硅烷偶聯(lián)劑(KH550)、硬脂酸(SA)、氧化鋅(ZnO)、升華硫(S)。

2.2 材料準(zhǔn)備及樣品制備

2.2.1 玻璃微球篩分

分別采用170目、250目、350目的標(biāo)準(zhǔn)篩和電動(dòng)振篩機(jī)對(duì)玻璃微球進(jìn)行篩分，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)篩的目數(shù)玻璃微球粒徑依次為：>85 μm、63～85 μm、40～63 μm、<40 μm，將篩分后4種不同粒徑范圍的玻璃微球收集分類并稱量得到各粒徑范圍內(nèi)玻璃微球質(zhì)量百分比如圖2所示.隨著微球粒徑的變大含量逐漸減少，由于85 μm以上的微球含量極少，因此本實(shí)驗(yàn)未做此粒徑范圍的樣品。

圖2 不同粒徑的HGM質(zhì)量百分比Fig 2 HGM mass percentage for different particle diameter

2.2.2 樣品制備

按照表1、表3的配方分別稱取NBR、PVC、HGM、SA、ZnO、3PbO· PbSO4· H2O放入一杯中稱為A，另稱取S、NOBS于一杯中稱為B，向A中加入DOP和KH550后一起加入轉(zhuǎn)矩流變儀(PolyLab QC，德國(guó)Thermo Fisher Scientific公司)中，以160 ℃，80 r/min，12 min進(jìn)行預(yù)混料，預(yù)混結(jié)束后待材料冷卻至室溫時(shí)加入B原料并在開煉機(jī)(KK-160，青島力創(chuàng)橡塑機(jī)械有限公司)上以60 ℃，20 r/min再次混料得到厚度大于5 mm的薄片C，并在室溫下放置24 h以上，再將混料C放入平板硫化機(jī)(LE-6170-A-30T，寶輪精密檢測(cè)儀器有限公司)模具中在160 ℃下進(jìn)行4 min的高溫硫化，待硫化后的樣品冷卻至室溫后裁剪到符合要求的形狀以供后續(xù)進(jìn)行性能測(cè)試。

2.3 測(cè)試與表征

2.3.1 微觀形貌觀察

利用美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司生產(chǎn)的Sirion 2000高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察玻璃微球的微觀形貌以及樣品液氮脆斷界面。

2.3.2 力學(xué)性能測(cè)試

參照GB/T528-2009 “硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力性能的測(cè)定”的測(cè)試方法，使用深圳市蘭博三思材料檢測(cè)有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，預(yù)載力為0.5 N、拉伸速度500 mm/min、環(huán)境溫度25 ℃。

2.3.3 隔聲性能測(cè)試

參照GBZ27764-2011“聲學(xué)阻抗管中傳聲損失的測(cè)量傳遞矩陣法”，使用四通道阻抗管(BSW SW422，直徑100 mm，北京聲望聲電技術(shù)有限公司)聲學(xué)分析系統(tǒng)測(cè)試樣品的隔聲性能，用VA-Lab4軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。樣品測(cè)試頻率為100～1 600 Hz，厚度為5 mm，每組樣品不少于4個(gè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同添加量HGM/NBR-PVC復(fù)合材料性能

為了研究不同含量的中空玻璃微球?qū)?fù)合材料性能的影響，現(xiàn)以HGM添加量為變量按照表1的配方制備樣品，并對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)和聲學(xué)等性能測(cè)試。

表1 HGM/ NBR-PVC復(fù)合材料成分Table 1 Ingredient of HGM/NBR-PVC composite materials

3.1.1 微觀形貌

圖3為添加不同質(zhì)量未篩分過玻璃微球的HGM/NBR-PVC復(fù)合材料的斷面SEM圖。由圖3(a)-(d)可知隨著玻璃微球添加量的增加復(fù)合材料內(nèi)部微球的數(shù)量明顯增多。因?yàn)閳D(b)樣品中玻璃微球添加量較少(10 g)，所以此時(shí)微球在材料中能均勻的分散開來，微球之間間距較大且都能很好的和材料結(jié)合起來。圖3(c)樣品中隨著玻璃微球添加量的增多(40 g)視野中微球的數(shù)量明顯變多，微球之間的間距變得較小在材料中的排列逐漸緊湊，此時(shí)微球和基質(zhì)材料間仍有較好的結(jié)合度。但是當(dāng)玻璃微球添加量為50 g時(shí)如圖3(d)所示，微球之間間距變得更小，在材料中的排列更加緊密甚至?xí)霈F(xiàn)部分團(tuán)聚現(xiàn)象，并且部分玻璃微球已出現(xiàn)破碎和開裂的現(xiàn)象，微球和材料之間的界面產(chǎn)生的空隙表明此時(shí)微球和基質(zhì)材料之間的結(jié)合度降低。這可能是因?yàn)檫^多的玻璃微球在材料加工過程中由于微球之間的擠壓、碰撞而產(chǎn)生的，圖3(b)、(c)中并未出現(xiàn)類似的情況。

圖3 不同HGM含量的NBR-PVC復(fù)合材料的SEM圖Fig 3 SEM images of NBR-PVC composite materials with different contents of HGM

3.1.2 力學(xué)性能

圖4為不同添加量HGM復(fù)合材料的力學(xué)性能。由圖中可以看出，隨著玻璃微球添加量的增加材料的彈性模量逐漸升高，但當(dāng)添加量為40 g(H-40)和50 g(H-50)時(shí)卻幾乎沒有變化。這可能是因?yàn)槲唇?jīng)篩分的玻璃微球中小粒徑微球較大粒徑微球含量多，所以在混料過程中微球能更均勻的分散在材料中，拉伸過程中能更大程度的分散載荷而使材料受力均勻[16]。并且玻璃微球添加量的增多也能增加材料的剛度，材料在受力拉伸時(shí)抵御變形能力變強(qiáng)，因此微球分布的均勻性以及剛度的增加都會(huì)提升材料的彈性模量。

圖4 不同HGM添加量的彈性模量Fig 4 Modulus of elasticity NBR/PVC composites with different HGM content

3.1.3 隔聲性能

圖5為不同添加量HGM復(fù)合材料的隔聲曲線，曲線分為剛度控制區(qū)和質(zhì)量控制區(qū)。如圖5(a)所示在剛度控制區(qū)隔聲量隨著頻率的增加而下降，隔聲量主要受材料的剛度和面密度影響。在第一共振頻率時(shí)達(dá)到一個(gè)隔聲低谷后進(jìn)入質(zhì)量控制區(qū)，隔聲量隨著頻率的增加而逐漸升高，此時(shí)隔聲量主要受材料的質(zhì)量和密度影響[17]。從圖5(b)中可以看出不同添加量玻璃微球材料的隔聲曲線在質(zhì)量控制區(qū)均呈上升趨勢(shì)，但隔聲量變化并不明顯，這是因?yàn)椴牧系拿芏茸兓⒉淮螅愿袈暳康淖兓膊⒉伙@著。在剛度控制區(qū)內(nèi)隔聲曲線均呈下降趨勢(shì)，而隔聲量則隨著微球添加量的增加(H-0-H-40)逐漸升高，添加量為40 g時(shí)隔聲效果最佳。這是因?yàn)椴Ａ⑶虻脑黾訒?huì)使材料內(nèi)部在聲波入射方向上排列更多的微球，這不僅增加了聲波反射界面(基質(zhì)-玻璃-空氣)的數(shù)量，而且會(huì)增加聲波傳輸路程消耗更多聲能量[13]。此外，因?yàn)椴牧蟿偠菳∝Eh3(E為彈性模量；h為材料厚度)[18]，所以隨著微球添加量的增多，材料彈性模量提高，也就使得材料剛度變大，進(jìn)而提高了材料的隔聲量。而當(dāng)添加量為50 g(H-50)時(shí)隔聲量反而降低。這可能是因?yàn)椴Ａ⑶蛱砑恿窟^多會(huì)導(dǎo)致材料在加工過程中由于團(tuán)聚和接觸擠壓作用使玻璃微球破碎、開裂(圖3(d)中可觀察到)，失去了作為閉合泡孔的界面功能，從而降低隔聲量。第一共振頻率(f1)隨著玻璃微球添加量的增加逐漸向高頻方向移動(dòng)，這是因?yàn)閒1和E/ρ成正比關(guān)系(其中E為材料的彈性模量，ρ為材料的密度)[19]。由表2可知當(dāng)玻璃微球添加量增加時(shí)材料的彈性模量增加、密度降低，因此材料的第一共振頻率向高頻方向移動(dòng)。復(fù)合材料的密度有所降低是因?yàn)橹锌詹Ａ⑶虻募尤胧共牧匣|(zhì)被大量閉合空腔所代替。當(dāng)微球添加量為50 g(H-50)時(shí)材料密度反而會(huì)有所增大，可能是因?yàn)椴Ａ⑶虻钠扑楹烷_裂現(xiàn)象導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)大量玻璃碎片所致。

圖5 (a) 剛度控制區(qū)、質(zhì)量控制區(qū)和第一共振頻率示意圖;(b)不同HGM添加量的NBR/PVC復(fù)合材料傳聲損失頻譜圖Fig 5 Stiffness-controlled region, Mass-controlled region and First resonant frequency schematic and spectrum diagram of sound transmission loss of NBR/PVC composites with different content of HGM

表2 HGM/ NBR-PVC的彈性模量、第一共振頻率和密度

3.2 不同粒徑HGM/NBR-PVC復(fù)合材料性能

通過3.1中不同添加量玻璃微球?qū)嶒?yàn)可知，當(dāng)微球添加量為40 g時(shí)隔聲性能最佳，因此以下實(shí)驗(yàn)以最佳添加量為基礎(chǔ)，研究不同粒徑的中空玻璃微球?qū)?fù)合材料力學(xué)性能及隔聲性能的影響，按表3所示的配方樣品制備。

3.2.1 不同粒徑中空玻璃微球SEM圖

圖6為不同粒徑玻璃微球的SEM圖像。由圖6(a)粒徑40 μm以下可知玻璃微球粒徑梯度較大、大小分布不統(tǒng)一，以小粒徑微球居多，但微球形狀較為規(guī)則。從圖6(b)粒徑為40～63 μm可知玻璃微球粒徑、體積大小相差不大有較好的統(tǒng)一性，小粒徑微球顆粒數(shù)量明顯減少，篩分效果較為理想。由圖6(c)粒徑63～85 μm可知玻璃微球粒徑明顯增大，部分微球出現(xiàn)小球粘附大球以及不規(guī)則的“帽形”異型結(jié)構(gòu)，這可能是在玻璃微球生產(chǎn)過程中所導(dǎo)致的。由SEM圖可知，本次對(duì)玻璃微球的篩分效果充分達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了不同粒徑玻璃微球的有效區(qū)分，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了理想的原料。

3.2.2 力學(xué)性能

圖7為不同粒徑HGM/NBR-PVC復(fù)合材料的彈性模量。由圖可知,隨著玻璃微粒徑的增大材料的彈性模量逐漸降低，這可能是因?yàn)椴牧匣|(zhì)能夠更好地包裹小粒徑玻璃微球，并且粒徑更小的微球壁厚更大能夠抵御變形的能力也就越強(qiáng)[21]。微球的尺寸能直接影響其在材料中的分散和分布能力，大粒徑顆粒在材料中較差的分散性會(huì)使微球之間間距較小甚至直接接觸，這種不均勻的團(tuán)聚會(huì)導(dǎo)致材料拉伸過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，載荷不能均勻分布于材料中去[22]，因此彈性模量也就越低。

表3 不同粒徑HGM/NBR-PVC復(fù)合材料成分Table 3 Composition of HGM/NBR-PVC with different particle diameter

圖6 不同粒徑中空玻璃微球的SEM圖Fig 6 SEM images of hollow glass microspheres with different particle diameter

圖7 不同粒徑HGM/NBR-PVC復(fù)合材料的彈性模量Fig 7 Modulus of elasticity of HGM/NBR-PVC composites with different particle diameter

3.2.3 隔聲性能

圖8為不同粒徑HGM-NBR/PVC復(fù)合材料的隔聲曲線。同樣的主要區(qū)別在于剛度控制區(qū)隔聲量隨著粒徑的增大而降低。這是因?yàn)榇藚^(qū)域內(nèi)隔聲量即傳聲損失STL∝B∝E(B為材料剛度，E為材料彈性模量)[18]，由圖7可知，隨著微球粒徑的增大材料彈性模量呈下降趨勢(shì)，另外半徑較小的顆粒密度更高壁厚和剛度更大，能夠提供更多的聲反射衍射界面而消耗更多聲能量，因此隔聲量也就越高[21-23]。

圖8 不同直徑HGM/NBR-PVC復(fù)合材料傳聲損失(STL)隨頻率的變化曲線Fig 8 Sound transmission loss (STL) curves of HGM/NBR-PVC composites with different particle diameter as a function of frequency

4 結(jié) 論

(1)通過在NBR-PVC混合材料中添加不同質(zhì)量的中空玻璃微球研究復(fù)合材料的隔聲性能和力學(xué)性能。結(jié)果表明隨著HGM添加量的增加材料的隔聲量和彈性模量都逐漸升高，當(dāng)添加量為40 g時(shí)隔聲量性能最佳，但添加量超過40 g時(shí)隔聲量反而降低。

(2)在NBR-PVC混合基質(zhì)中加入3種不同粒徑的玻璃微球研究微球的粒徑對(duì)復(fù)合材料隔聲量和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明不同粒徑的玻璃微球?qū)Ω袈暳坑忻黠@的影響，隔聲量隨著玻璃微球粒徑的減小而增大，當(dāng)添加40 g粒徑為40 μm以下的HGM時(shí)平均隔聲量最大達(dá)31.6 dB，彈性模量則隨著粒徑的增大而減小。

研究通過在NBR-PVC混合基質(zhì)中加入中空玻璃微球制備了一種復(fù)合隔聲功能材料，探究了添加量和粒徑對(duì)其隔聲性能的影響，從而為閉孔輕質(zhì)隔聲材料的研發(fā)提供一定的參考依據(jù)。