基于化工環(huán)保的阻尼降噪復合材料性能實驗研究

周學平

摘 ? ? ?要：為降低環(huán)境噪聲，提供環(huán)保無污染的降噪材料，進行基于化工環(huán)保的阻尼降噪復合材料性能實驗?；诨きh(huán)保理念以及橡膠的良好減振緩沖特性，以回收得到的廢舊橡膠作為環(huán)保材料，對其進行加熱及機械處理，并復合玻璃纖維布（GFF），制備具有層合結構的GFF/PVC復合材料，利用DMA動態(tài)熱機械分析儀、雙聲道聲學分析儀等測試復合材料的阻尼性能、隔音降噪與力學等性能。實驗發(fā)現，GFF/PVC復合材料可以有效隔音降噪，吸聲性能明顯。

關 ?鍵 ?詞：阻尼性能;復合材料;隔音降噪;橡膠

中圖分類號：TQ 042 ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）02-0313-04

Abstract： In order to reduce environmental noise and provide environmentally friendly and non-polluting noise reduction materials， the performance experiments of damping and noise reduction composite materials based on chemical environmental protection were carried out. Based on the idea of environmental protection in chemical industry and the good shock absorption and cushioning properties of rubber， recycled waste rubber was used as environmental protection material， and it was heated and mechanically treated. Composite glass fiber （GFF） and treated waste rubber were used to prepare GFF/PVC composite with laminated structure. The damping performance， noise reduction and mechanical properties of the composite were tested by DMA dynamic thermomechanical analyzer and dual-channel acoustic analyzer. Experiments showed that GFF/PVC composites effectively reduced the noise and sound absorption was obvious.

Key words： Damping property; Composite material; Sound insulation and noise reduction; Rubber

噪聲污染是目前整體環(huán)境污染的主要因素之一[1]，控制噪聲的傳播、降低振動引起的噪音是亟需解決的重大問題[2，3]。阻尼降噪材料可以將聲音振動和機械振動產生的能量轉化為熱能并消耗，實現減振消聲，已成為一種新型功能材料，受到相關研究學者的廣泛關注[4]。因此，阻尼降噪材料的抗沖擊、減振、隔絕噪聲的性能也被廣大學者研究[5]。

文獻[6]優(yōu)化自由阻尼的板件模型，利用Matlab編程創(chuàng)立自由阻尼板有限元結構，并利用Rayleigh積分法計算薄板成分的輻射值表達式;依據輻射聲場內某點的聲壓最低值為參數，阻尼材料的體積為控制要求，編寫了優(yōu)化拓撲程序，建立優(yōu)化拓撲模型。利用漸進結構優(yōu)化算法，得到阻尼材料的最佳結構，并對比與以模態(tài)損耗值最大為基礎的拓撲優(yōu)化結果。文獻[7]中提到紡織復合材料具有更柔性吸聲隔音降噪性能，比單純紡織品吸聲域更加寬泛，且透氣、輕薄以及易加工。從柔性降噪、降噪功能填料和新型纖維紡織復合材料三個方面敘述了柔性吸聲隔音紡織品，并歸納總結了柔性降噪紡織品的制備方法。文獻[8]設計合成了AO-2246和AO-80封端聚氨酯預聚物，經過固化處理能得到聚氨酯阻尼材料。采用掃描電鏡表、差示掃描熱分析和傅里葉變換紅外光譜證明了該材料的宏觀模型，并分析了聚醚相對分子質量、受阻酚種類和受阻酚含量對阻尼材料動態(tài)力學性能的影響。

由于玻璃纖維具有高強度、高絕緣性、抗腐蝕且耐高溫等性能，且具有疏松結構，使得結構之間可流通空氣，促進玻璃纖維具有一定的吸聲特性。為此本文選取玻纖織物（經密 208/10 cm，緯密 200 根/10 cm，單絲根數200），將其與PVC基復合材料進行復合，研究不同結構試樣的隔聲等性能的差異。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗材料

基于化工環(huán)保理念，采用的橡膠原料為在紡織廠回收的廢舊膠輥、膠圈經加熱及機械處理后得到的再生膠粉，主要成分為丁腈橡膠（NBR）和聚氯乙烯（PVC）;硫酸鋇，國藥集團化學試劑有限公司;鄰苯二甲酸二辛酯（DOP），透明油狀液體，天門恒昌化工有限公司;環(huán)氧大豆油（ESO），淺黃色黏稠透明狀液體，德州龍達油脂科技有限公司;三氧化二銻（Sb2O3）白色粉末，分析純，國藥集團化學試劑有限公司;PE蠟，臨安華麗塑料有限公司。EW100玻璃纖維布（GFF），工業(yè)級，四川省玻纖集團有限公司。

1.2 ?實驗儀器與設備

雙輥筒混煉機（上海橡膠機械廠，SK-160B）;高速混合機，SHR-25 型，張家港市億利機械有限公司;BSWAVS302USB型號雙聲道聲學分析儀，北京聲望公司;DMA動態(tài)熱機械分析儀，Q800型，美國TA公司;平板硫化機，XK400型號，大連華韓橡塑機械有限公司。

1.3 ?樣品的制備

空白樣品制備：取100 g再生膠粉，40 g鄰苯二甲酸二辛酯，10 g環(huán)氧大豆油，以及一定量的三氧化二銻，在高速攪拌狀態(tài)下混合40 min后，加入400 g硫酸鋇和1 g PE蠟，繼續(xù)混合30 min后，作為初混材料，將其轉入雙輥筒混煉機內，開煉成塑化的薄片。選取定量已開煉好的薄片，在模具（厚度為1 mm）中平均分散鋪好，然后放在平板硫化機中，溫度要控制在140 ℃左右。先預熔20 min，再在10 MPa壓力下熱壓30 min，取出，自然冷卻，得到試樣壓制成所需的基體材料。

GFF/PVC復合材料制備：將不同量的玻璃纖維布加入初混材料中，轉入進行反復混煉，以使纖維均勻分布于基體中，混煉40 min后將其取出，將混煉料室溫冷卻后，得混煉薄片以備用;最后將混煉料膜鋪在厚度為0.5 mm、1 mm和2 mm的模具中，放入平板硫化機內，溫度為140 ℃，先在卸載條件下預熔10 min，再在10 MPa下熱壓15 min中，取出，自然冷卻得到試樣。

以圖1表示復合材料的結構示意圖。

1.4 ?樣品的測試

（1）阻尼性能測試

試樣尺寸如圖2所示。升溫速度為5 ℃/min，控制溫度范圍在-20～80 ℃。

（2）隔音性能測試

以空氣中的聲音自由傳輸作為對比，測量空氣中的衰減量與試樣的聲音衰減量。對每個樣品均進行多次測試，取平均值。測試標準選擇 ISOR140-1，ISOR140-170建筑及建筑構件的隔聲測量標準，噪聲源為90 dB。

2 ?結果與討論

2.1 ?阻尼特性測試

阻尼性能對復合材料隔聲性能的影響起著至關重要的作用，對以上制備的試樣進行阻尼性能測試，得到圖4試樣的阻尼因子曲線。

由以上實驗結果發(fā)現，GFF/PVC復合材料的阻尼因子始終高于單純的PVC材料。在低于50 ℃時，整體阻尼因子呈現增加趨勢;溫度達到50 ℃后，整體呈現下降趨勢。60 ℃以后，材料的阻尼性能逐漸下降，且復合材料的層數增加可以同時提高材料的阻尼性能。這可能是因為加入玻璃纖維后，阻礙了分子運動，提高了材料受到應力、應變的相位滯后性能，從而提高了阻尼性能，擴大了復合材料的阻尼溫度范圍;同時，玻纖織物的加入可以加大復合材料的內部摩擦，增加材料的能量損耗因子，增強能量轉化能力，使聲波入射后，復合材料需要消耗更多的聲波能量，達到隔音降噪的目的。分析B和C曲線可以發(fā)現，層數的增加會提高復合材料的阻尼性能。

2.2 ?隔聲性能測試

為排除玻璃纖維自身隔聲性能的影響，測試純玻璃纖維的隔聲性能，如圖5所示。

圖5可以看出，頻率在5 000 Hz時，隔聲量達到最大值，隔聲能力最強;由單獨的玻纖織物隔聲曲線可以發(fā)現，在不同頻率下，玻纖織物均有一定的隔音降噪作用，但隔聲量較小，平均為2 dB，不滿足實際應用要求，因此單獨的玻纖織物不適合作為隔音材料。這可能是由于，在聲波入射到玻纖織物表面后，樣品表面會發(fā)生一定的聲波反射或折射，致使聲波進入玻纖織物的內部結構中，由于玻纖織物自身的振動或纖維之間的相互摩擦作用，消耗了部分聲能，將其轉化為熱能并吸收。因此，單獨的玻纖織物具有一定的隔聲作用，但由于玻纖織物表面積有限且內部結構較為簡單，使其總體隔聲性能不高，限制了實際應用。

測試復合材料的隔聲降噪性能，具體實驗結果如圖6所示。

由圖6可知，GFF/PVC復合材料的隔聲量同單層 PVC材料的變化曲線類似，對比圖5可知，起主要隔聲作用的為PVC材料。根據頻率從低到高分為三個區(qū)域：將100～630 Hz范圍內的頻率作為低頻區(qū)，由于在該頻率范圍內，聲波波長較長，整體繞射能力較強，使得聲波可以通過玻纖織物中的紗線間或纖維之間的空隙，導致玻纖織物的吸聲作用不明顯;將630～1 250 Hz視為中頻區(qū)，該區(qū)域各樣品的隔聲量相近，都是以近似斜率 12 dB/倍頻程的直線線性增長;將大于1 250 Hz的區(qū)域視為高頻區(qū)，該區(qū)域的隔音性能主要是受到阻尼性能的影響。在該頻率區(qū)域的波長較短，因此在材料內部易發(fā)生折射或者反射，消耗聲能，起到隔音降噪的作用。由于層合結構會提高阻尼性能，因此層合結構在一定程度上也會提高材料的隔音性能。

2.3 ?拉伸性能測試

材料的拉伸性能決定了材料的使用性。對試樣拉伸性能，測試結果如圖7。

分析圖7可知，GFF/PVC復合后比純PVC材料的拉伸性能高，其可承受的拉伸載荷更高，但其拉伸長度更少，且隨著復合層數的增加，所能承受的拉伸載荷隨之增加，但拉伸長度更低，表明層合結構會降低整體材料的延伸性。這可能是由于在初始拉伸過程中，玻纖織物是復合材料的主要拉伸載荷承受主體，拉伸載荷逐漸增加，導致玻纖織物內部脆弱部位斷裂;在層合復合材料中，玻纖織物的界面與整體材料之間具有黏結力，拉伸載荷的增加會導致玻纖織物界面從整體結構中抽離，此時需要克服界面之間的黏結力，因此增加了可承受的拉伸載荷。

3 ?結 論

（1）基于化工環(huán)保理念，選取了廢舊橡膠制備得到的再生膠粉作為原料，將其與玻纖織物進行復合，得到不同層合結構的復合樣品。

（2）實驗發(fā)現，復合GFF/PVC材料可以提高單層PVC材料的阻尼性能，且復合材料層數越高，阻尼性能越好。

（3）GFF/PVC復合材料的不同層合結構對材料的隔聲性能具有不同影響，且層數越多的復合材料具有的隔聲性能越優(yōu)。

（4）復合玻纖織物后，可有效提高單層PVC材料的拉伸力學性能，且復合層數越高，整體復合材料的強度越高。

參考文獻：

[1]崔向紅， 劉曉東， 李天智， 等. 基于質量彈簧模型的阻尼復合材料[J]. 化學工程師， 2017， 31（10）：1-3.

[2] 鄧安仲， 李豐愷. 夾芯復合材料阻尼性能的研究進展[J]. 材料導報， 2017， 31 （9）： 165-171.

[3] 趙雄偉， 臧充光， 焦清介， 等. Cu-CF/EP復合材料導電與阻尼性能研究[J]. 材料工程， 2017， 45 （9）： 45-51.

[4] 時玉艷， 任勇生， 張玉環(huán). 具有約束層阻尼旋轉復合材料軸的動態(tài)特性研究[J]. 振動與沖擊， 2017， 36 （7）： 45-56.

[5]謝海， 陳守兵， 王廷梅， 等. PU/PMMA IPNs復合材料的摩擦學性能和阻尼性能研究[J]. 摩擦學學報， 2018， 38（1）：1-7.

[6] 徐偉， 張志飛， 庾魯思， 等. 附加自由阻尼板阻尼材料降噪拓撲優(yōu)化[J]. 振動與沖擊， 2017，36（11）.192-198.

[7] 張春春， 鞏繼賢， 范曉丹， 等. 柔性吸聲隔音降噪紡織復合材料[J]. 復合材料學報， 2018， 35（08）：7-17.

[8]劉吟松， 晏欣， 李亮， 等. 受阻酚封端聚氨酯阻尼材料的結構與性能[J]. 高分子材料科學與工程， 2017，33（9）：72-76.

[9] 張馳， 張碩， 宋曉晨. 基于FEM的各向異性復合材料阻尼仿真分析[J]. 飛機設計， 2017， 24（6）：25-30.

[10] 劉彥清， 肖毅， 張振， 等. 基于彈性-黏彈性對應原理的復合材料層合板模態(tài)阻尼預測： 理論及其有限元實現[J]. 復合材料學報， 2017， 34 （7）： 1478-1488.