發(fā)泡工藝和發(fā)泡劑用量對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料阻尼吸聲性能的影響

歐陽(yáng)文宜，劉 松，姚 楚，曹果果，游 峰，江學(xué)良

（武漢工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

目前，工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及社會(huì)生活等帶來的振動(dòng)噪聲污染日趨嚴(yán)重，會(huì)造成神經(jīng)衰弱、失眠、頭痛等神經(jīng)官能癥，嚴(yán)重影響人類健康，已成為世界范圍內(nèi)的主要環(huán)境問題之一[1-2]。因此，開發(fā)高性能的阻尼吸聲材料具有重要的意義。

高分子材料由于其密度小、易成型，已成為阻尼吸聲材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[3-5]。橡膠材料作為一種重要的高分子材料，具有內(nèi)耗大、阻尼性能好等特點(diǎn)，而且可以加入無機(jī)納米粒子或者通過發(fā)泡成型等方式有效地控制其聲學(xué)特性，是一種理想的阻尼吸聲材料[6-8]。錢軍民等[9]利用巖棉改性乙丙橡膠與聚氯乙烯共混來制備發(fā)泡復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料的平均吸聲系數(shù)較高（＞0.5），而且其低頻吸聲性能優(yōu)于普通的多孔型吸聲材料。黃勇[10]利用溶膠-凝膠法，以十六烷基三甲基溴化銨為模板劑，制備了內(nèi)部含有大量孔隙且孔徑可調(diào)（1.87～5.56 nm）的二氧化硅，然后以制得的介孔二氧化硅為填料，制備了1 000～5 000 Hz頻率范圍吸聲的硅橡膠材料，研究發(fā)現(xiàn)介孔二氧化硅含量及其內(nèi)部孔徑尺寸對(duì)硅橡膠吸聲性能有較大影響。X.Y.Zhao等[11]以受阻酚為填料、丁腈橡膠為基體，制備了一種高阻尼復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)受阻酚由結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形態(tài)，進(jìn)而在丁腈橡膠基體中富集，在受阻酚分子之間和受阻酚與丁腈橡膠分子之間形成了很多氫鍵。除了丁腈橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變外，隨著復(fù)合材料體系中分子間氫鍵的解離，材料還呈現(xiàn)出兩次異常的松弛過程，從而使得復(fù)合材料具有很高的阻尼性能。

本工作以偶氮二甲酰胺（AC）為發(fā)泡劑、丁基橡膠為基體，制備丁基橡膠發(fā)泡材料，考察硫化時(shí)間、硫化溫度以及發(fā)泡劑AC用量對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料阻尼性能和吸聲性能的影響，并結(jié)合材料微觀形貌的分析，研究合適的丁基橡膠發(fā)泡材料成型配方和工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

丁基橡膠，牌號(hào)1751，中國(guó)石化集團(tuán)北京燕山石油化工有限公司產(chǎn)品；發(fā)泡劑AC，上海伏瑞合化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

丁基橡膠 100，炭黑 30，氧化鋅 6，硬脂酸 1.5，防老劑4010 2，硫黃 1.5，促進(jìn)劑DM 2，促進(jìn)劑CZ 1，發(fā)泡劑AC 變量。

1.3 試樣制備

將丁基橡膠在蘇州市弗仕瑞經(jīng)貿(mào)有限公司購(gòu)買的2XB型雙輥開煉機(jī)上薄通包輥，然后依次加入炭黑、氧化鋅、硬脂酸、促進(jìn)劑DM、促進(jìn)劑CZ、防老劑4010、發(fā)泡劑AC，薄通10次后得混煉膠?；鞜捘z在浙江湖州東方機(jī)械有限公司生產(chǎn)的平板硫化機(jī)上以不同溫度和時(shí)間發(fā)泡成型。

1.4 測(cè)試分析

采用美國(guó)TA公司的Q800型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀按照GB/T 18258—2000進(jìn)行測(cè)試材料阻尼性能：將試樣裁成20 mm×5 mm×1 mm條狀，采用拉伸模式，控制應(yīng)變?yōu)?.01%，溫度范圍為-100～+50℃，升溫速率為3 ℃·min-1，頻率為10 Hz；采用JTZB吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)材料的吸聲性能進(jìn)行測(cè)試：將吸聲試樣裁剪成底面直徑為100 mm、厚度為20 mm的圓柱狀試樣，使用1/3倍頻程，測(cè)試材料在200～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)；將試樣置于液氮中浸泡30 min后取出，快速脆斷，斷面噴金后，采用日本JEOL公司的Hitachi S-530型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)填料的分散情況、泡孔分布、孔徑大小等進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化工藝對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料阻尼性能的影響

在硫化溫度為165 ℃和發(fā)泡劑AC用量為6份的條件下，硫化時(shí)間對(duì)發(fā)泡丁基橡膠阻尼性能的影響如圖1所示。G′為儲(chǔ)能模量，tanδ為損耗因子。

從圖1（a）可以看出，硫化時(shí)間為15 min時(shí)，發(fā)泡丁基橡膠有最大的G′，在其他硫化時(shí)間下，G′相差不大。從圖1（b）可以看出，硫化時(shí)間對(duì)發(fā)泡丁基橡膠阻尼性能有一定的影響，在溫度為-25 ℃時(shí)，有最大tanδ，有效阻尼溫域?yàn)?65～+20 ℃，在-45 ℃處有一肩峰，為丁基橡膠特有的液-液轉(zhuǎn)變峰，不同硫化時(shí)間下的有效阻尼溫域相差不大，但大小不一，由大到小所對(duì)應(yīng)的硫化時(shí)間分別為30，35，25，20，15 min。硫化時(shí)間為15 min時(shí)，發(fā)泡丁基橡膠的tanδ最低，20 min時(shí)tanδ略高，25與35 min時(shí)均有較高的tanδ，30 min時(shí)有最大tanδ，其值為1.44。這是因?yàn)楫?dāng)能量通過小而密集的泡孔時(shí)有更大的損耗，硫化時(shí)間15 min時(shí)，產(chǎn)生的泡孔太少，能量損耗較小，阻尼性能較差；硫化時(shí)間為20 min時(shí)，泡孔太大，能量損耗也較小，而硫化時(shí)間為30 min時(shí)，產(chǎn)生的泡孔小而密集，能量通過時(shí)，會(huì)通過與孔壁的摩擦、波形轉(zhuǎn)換、弛豫作用等產(chǎn)生較大的內(nèi)耗，阻尼性能提高。

圖1 硫化時(shí)間對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料阻尼性能的影響

在硫化時(shí)間為30 min和發(fā)泡劑AC用量為6份的條件下，硫化溫度對(duì)發(fā)泡丁基橡膠阻尼性能的影響如圖2所示。

從圖2（a）可以看出：硫化溫度為160 ℃時(shí)，發(fā)泡丁基橡膠有最高的G′；硫化溫度為170和155 ℃時(shí)，G′較低；硫化溫度為165和175 ℃時(shí)，G′最低。從圖2（b）可以看出，硫化溫度為160 ℃時(shí)，有著最高的tanδ，其值為1.491，但在整個(gè)有效阻尼溫域內(nèi)，其tanδ都比硫化溫度為165 ℃時(shí)小一些，且硫化溫度為165 ℃時(shí)發(fā)泡丁基橡膠的最大tanδ值為1.44，比硫化溫度為160 ℃的略小，故硫化溫度為165 ℃時(shí)，發(fā)泡丁基橡膠有著最佳的阻尼性能。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因?yàn)榱蚧瘻囟葹?70和175 ℃時(shí)，發(fā)泡劑大量分解，產(chǎn)生的氣壓太大，破壞了大部分交聯(lián)鍵，會(huì)有大量的泡孔坍塌，產(chǎn)生并孔現(xiàn)象，形成很多有缺陷的泡孔，進(jìn)一步降低了阻尼性能。硫化溫度為155 ℃時(shí)，發(fā)泡劑分解速度又太低，氣壓不足以破壞交聯(lián)鍵，產(chǎn)生的泡孔較少，能量損耗也較小。而硫化溫度為160和165 ℃時(shí)，發(fā)泡劑分解速度達(dá)到一定程度，而且與丁基橡膠硫化速度達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)產(chǎn)生較多孔徑較均勻的泡孔，能量通過時(shí)，會(huì)有較大的損耗，阻尼性能也進(jìn)一步提升。

圖2 硫化溫度對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料阻尼性能的影響

2.2 硫化工藝對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料吸聲性能的影響

硫化工藝對(duì)發(fā)泡丁基橡膠吸聲性能的影響如圖3所示。

圖3 硫化工藝對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料吸聲性能的影響

從圖3（a）可以看出，在160 ℃的硫化溫度下，硫化50 min時(shí)發(fā)泡丁基橡膠有著最高的吸聲性能，在400 Hz時(shí)獲得最大吸聲系數(shù)（0.32）；硫化時(shí)間為40 min時(shí)發(fā)泡丁基橡膠的吸聲性能較差，硫化時(shí)間為60 min時(shí)發(fā)泡丁基橡膠的吸聲性能最差。這是由于吸聲件較厚，傳熱需要一定的時(shí)間，硫化時(shí)間為40 min時(shí)，熱量傳遞到丁基橡膠內(nèi)部中心區(qū)域時(shí)，硫化發(fā)泡時(shí)間較短，還沒有發(fā)泡完全就開始降溫到室溫，內(nèi)部發(fā)泡不足，發(fā)泡效果不佳，吸聲性能較差。硫化時(shí)間為60 min時(shí)，此時(shí)交聯(lián)大部分處于過硫化期，硫化速率已開始下降，而發(fā)泡劑大量分解，產(chǎn)生的氣體完全破壞了交聯(lián)，導(dǎo)致丁基橡膠內(nèi)部泡孔坍塌，出模后，內(nèi)部將會(huì)有鼓泡現(xiàn)象，外部也會(huì)開裂，最后發(fā)泡丁基橡膠形貌不完整，吸聲效果較差。而硫化時(shí)間為50 min時(shí)，外部的熱量傳遞到內(nèi)部后，有充足的時(shí)間硫化發(fā)泡，不至于產(chǎn)生嚴(yán)重的過硫化現(xiàn)象，此時(shí)形成的發(fā)泡丁基橡膠表面形貌完整，內(nèi)部泡孔較均勻，吸聲性能較好。

從圖3（b）可以看出，在165 ℃的硫化溫度下，硫化40 min后再保壓冷卻到室溫時(shí)制備的發(fā)泡丁基橡膠有著最佳的吸聲性能，在400 Hz時(shí)獲得最大吸聲系數(shù)（0.24）；硫化50和60 min時(shí)發(fā)泡丁基橡膠的吸聲性能很差。這是由于硫化溫度為165 ℃時(shí)，硫化時(shí)間為50 min的丁基橡膠絕大部分已經(jīng)過硫化，導(dǎo)致吸聲性能明顯下降。比較圖3（a）和（b）可知，在160 ℃下硫化50 min后保壓冷卻的發(fā)泡丁基橡膠的吸聲性能優(yōu)于在165 ℃下硫化40 min保壓冷卻的吸聲性能，這說明對(duì)發(fā)泡丁基橡膠吸聲材料而言，低溫、長(zhǎng)時(shí)間硫化制備工藝比高溫、短時(shí)間硫化制備工藝更好。

2.3 發(fā)泡劑用量對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料阻尼性能的影響

在硫化溫度為160 ℃和硫化時(shí)間為50 min的條件下，發(fā)泡劑用量對(duì)發(fā)泡丁基橡膠阻尼性能的影響如圖4所示。

圖4 發(fā)泡劑用量對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料阻尼性能的影響

從圖4（a）可以看出，發(fā)泡丁基橡膠的G′明顯降低，這說明發(fā)泡丁基橡膠儲(chǔ)存彈性形變的能力減小，即受外力時(shí)形變量增大。這是由于發(fā)泡丁基橡膠內(nèi)部含有較多的泡孔，分子運(yùn)動(dòng)所受阻礙變小，即便在低溫下依然能保持一定的運(yùn)動(dòng)能力，因此在外加負(fù)荷一定的情況下能產(chǎn)生更大的形變，從而使G′降低。

從圖4（b）可以看出，發(fā)泡丁基橡膠的阻尼性能有著極大的提升，這是由于發(fā)泡丁基橡膠內(nèi)部含有較多的泡孔，當(dāng)能量通過時(shí)，會(huì)與泡孔壁產(chǎn)生摩擦，有著更大的內(nèi)耗，從而提高了其阻尼性能。隨著發(fā)泡劑用量的增大，發(fā)泡丁基橡膠的阻尼性能逐漸降低。這是由于當(dāng)發(fā)泡劑用量較小時(shí)，發(fā)氣量不是很大，產(chǎn)生的泡孔較小且為閉孔，隨著發(fā)泡劑用量的增大，泡孔逐漸變多，且泡孔逐漸由閉孔變成開孔，繼續(xù)增大發(fā)泡劑用量，將產(chǎn)生并孔現(xiàn)象，形成較大的開孔。

2.4 發(fā)泡劑用量對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料吸聲性能的影響

發(fā)泡劑用量對(duì)發(fā)泡丁基橡膠吸聲性能的影響如圖5所示（硫化條件為160 ℃×50 min）。

圖5 發(fā)泡劑用量對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料吸聲性能的影響

從圖5可知，發(fā)泡丁基橡膠的吸聲性能有很大的提高，且隨著發(fā)泡劑用量的增大，其吸聲性能也不斷提高。在頻率為630 Hz時(shí)，有最大吸聲系數(shù)（0.48），此時(shí)發(fā)泡劑用量為12份；發(fā)泡劑用量分別為15和9份時(shí)，在400 Hz的頻率下有最大吸聲系數(shù)，分別為0.43和0.41。由于吸聲件較厚，當(dāng)發(fā)泡劑用量在9份以上時(shí)，在硫化過程中發(fā)泡劑大量分解，發(fā)氣量過大，即使通過保壓冷卻的方法，依然得不到表面形貌完整、內(nèi)部泡孔均勻的發(fā)泡丁基橡膠，脫模后的發(fā)泡丁基橡膠表面總是會(huì)大面積開裂，甚至?xí)闹虚g爆裂開，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。故最后使用6份發(fā)泡劑，此時(shí)發(fā)泡丁基橡膠表面形貌完整，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，不會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象，此時(shí)在400 Hz的頻率下有最大吸聲系數(shù)（0.32）。后期可以嘗試不同的硫化成型方式，以消除發(fā)泡劑用過大時(shí)發(fā)泡丁基橡膠表面不完整的現(xiàn)象。

2.5 發(fā)泡劑用量對(duì)丁基橡膠發(fā)泡材料微觀形貌的影響

不同發(fā)泡劑用量下2 mm厚發(fā)泡丁基橡膠的SEM照片如圖6所示。

從圖6可以看出：發(fā)泡劑用量為3份時(shí)，泡孔比較少，且大多為閉孔；當(dāng)發(fā)泡劑用量達(dá)到6份時(shí)，泡孔少而密集，且多為閉孔；隨著發(fā)泡劑用量的繼續(xù)增大，泡孔繼續(xù)增多，且逐漸由閉孔轉(zhuǎn)變?yōu)殚_孔；當(dāng)發(fā)泡劑用量為9份時(shí)，已經(jīng)大多是混合孔；當(dāng)發(fā)泡劑用量為12份時(shí)，發(fā)生了嚴(yán)重的并孔、泡孔坍塌現(xiàn)象，形成較多較大的開孔結(jié)構(gòu)；當(dāng)發(fā)泡劑用量為15份時(shí)，此時(shí)泡孔較密集，泡孔形態(tài)不均勻，產(chǎn)生并孔現(xiàn)象。這是發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體量不同所帶來的影響。

圖6 不同發(fā)泡劑用量下2 mm厚發(fā)泡丁基橡膠的SEM照片

3 結(jié)論

（1）在165 ℃下硫化30 min時(shí)，發(fā)泡丁基橡膠有著最佳的阻尼性能，在-25 ℃時(shí)達(dá)最大tanδ值1.44；在160 ℃下硫化50 min后再保壓冷卻到室溫時(shí)，發(fā)泡丁基橡膠有最佳的吸聲性能，在400 Hz時(shí)獲得最大吸聲系數(shù)0.32。

（2）發(fā)泡丁基橡膠的阻尼性能有著明顯的提高，當(dāng)發(fā)泡劑用量較小時(shí)材料阻尼性能較好；發(fā)泡丁基橡膠的吸聲性能也有著顯著的提升，當(dāng)發(fā)泡劑用量為6份時(shí)，得到的泡孔少而密集，且多為閉孔結(jié)構(gòu)，材料吸聲性能較好。