新型羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠的吸聲特性研究

沈君實(shí)，張兆陽，江學(xué)良，游 峰，姚 楚，喻 鵬

(武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430205)

聲音在生活中處處存在，而超過一定程度的聲音則會(huì)變成一種危害人類活動(dòng)和自然平衡的噪聲污染[1]。同時(shí)噪聲作為一種生物刺激體，大量的接觸噪音已經(jīng)被證實(shí)了具有風(fēng)險(xiǎn)和健康危害[2]，吸聲材料可有效解決噪聲污染問題。按照吸聲作用機(jī)理，吸聲材料一般可分為兩類：共振吸聲材料和多孔吸聲材料[3]。共振吸聲材料基于內(nèi)共振效應(yīng)的原理，使得這些材料在低頻段具有良好的吸聲性能，但它們往往存在吸聲頻帶窄和成本高昂的缺點(diǎn)[4]。多孔吸聲材料則一般是由容納聲波進(jìn)入材料的通道、裂隙或空腔組成，其聲能耗散的原理則是由空氣分子與孔壁的摩擦引起的熱損失和材料內(nèi)部氣流黏性引起的黏性損失兩部分組成[5]。這種能量消耗原理賦予了多孔材料寬頻帶吸聲的能力。

目前，商用的多孔材料有纖維狀聚集組織的各種有機(jī)或無機(jī)纖維及其制品，以及多孔結(jié)構(gòu)的開孔型泡沫塑料和膨脹珍珠巖制品，如聚氨酯泡沫塑料[6]和氨基甲酸脂泡沫塑料[7]等。大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)伴生各類污染物的排放，對(duì)不可再生資源進(jìn)行消耗的同時(shí)，也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生難以逆轉(zhuǎn)的損害。氣凝膠擁有著比大多數(shù)多孔材料更多的孔隙和更低的密度[8]，并且冷凍干燥作為主要制備工藝，對(duì)環(huán)境的損害也極小[9]，這些都意味著該材料在吸聲領(lǐng)域潛力巨大。羧甲基纖維素鈉是當(dāng)今世界上使用范圍最廣、用量最大的纖維素種類，已經(jīng)在氣凝膠領(lǐng)域備受關(guān)注。羧基丁腈膠乳作為丁腈膠乳經(jīng)引入羧基基團(tuán)進(jìn)行改性后的產(chǎn)物，不僅粘接強(qiáng)度和機(jī)械性能均有所提高，還具備耐油、耐溶劑、耐酸堿等性質(zhì)。因此，本文以羧甲基纖維素鈉為基體，羧基丁腈膠乳為粘合劑、穩(wěn)定劑，通過冷凍干燥工藝制備羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠，研究羧基丁腈膠乳的含量對(duì)復(fù)合氣凝膠吸聲性能、機(jī)械性能及穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

羧甲基纖維素鈉(CMC)：化學(xué)純，國藥集團(tuán)；羧基丁腈膠乳(XNBRL)：深圳市吉田化工有限公司；氧化鋅(ZnO)，ZDEC(硫化促進(jìn)劑)，TMTD(硫化促進(jìn)劑)，硫磺，防老劑(WSL)均為廣州聚拓化工有限公司。

1.2 羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠制備

室溫下，利用磁力攪拌裝置，將羧甲基纖維素鈉粉末溶解在去離子水中制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的羧甲基纖維素鈉溶液，然后在羧基丁腈膠乳中加入助劑，助劑比例見表1，攪拌均勻后將其緩慢加入之前準(zhǔn)備好的羧甲基纖維素鈉溶液，根據(jù)羧甲基纖維素鈉(CMC)和羧基丁腈膠乳(XNBRL)兩者固含量的不同，(10/0、7/3、5/5、3/7、0/10)得到5種不同配比的液體。然后將其倒入圓柱形模具(直徑30 mm)，置于-20℃冰箱冷凍12 h。氣凝膠樣品在凍干機(jī)(Telstar Lyoquest)中冰升華48 h后獲得。據(jù)羧甲基纖維素鈉(CMC)和羧基丁腈膠乳(XNBRL)兩者固含量的配比不同，分別稱為C10X0、C7X3、C5X5、C3X7、C0X10。

表1 羧基丁腈膠乳投料

文章中出現(xiàn)的CxXy，C代表羧甲基纖維素鈉(CMC)，X代表羧基丁腈膠乳(XNBRL)，x、y分別代表羧甲基纖維素鈉和羧基丁腈膠乳在其中各占的比例，如C7X3即代表樣品，是由CMC∶XNBRL=7∶3的含水懸浮液制備的，C10X0即為羧甲基纖維素鈉純樣，C0X10即為羧基丁腈膠乳純樣(同樣方法制備的純橡膠樣品由于過軟塌陷不成形，導(dǎo)致無法進(jìn)行除熱重分析外的其他測試)。

1.3 測試與表征

使用日本JEOL公司的JSM-5510LV型掃描電子顯微鏡對(duì)材料的形貌進(jìn)行分析；使用德國耐馳STA409PC綜合熱分析儀對(duì)材料的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試；使用CMT系列微機(jī)控制電子萬能(拉力)試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料的機(jī)械性能進(jìn)行測試；用SW477型阻抗管對(duì)羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠進(jìn)行吸聲測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM分析

圖1為不同比例的羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠在放大100倍時(shí)的掃描電鏡圖象。由圖1a可以看到，CMC純樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雜亂無序，冷凍干燥后的CMC在微觀層面上有自發(fā)形成片狀結(jié)構(gòu)的趨勢。如圖1b，隨著XNBRL的加入，由于在表面電荷和重力的協(xié)同作用下，冷凍干燥后的氣凝膠開始形成整齊有序的片層結(jié)構(gòu)。在圖1c和1d中，隨著XNBRL的含量逐漸增多，層厚開始增大，層間距開始減小，形成的多層結(jié)構(gòu)之間的附著支撐結(jié)構(gòu)明顯增多。

圖1 不同比例羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠掃描電鏡圖注：(a)-CMC純樣；(b)-C7X3；(c)-C5X5；(d)-C3X7。

2.2 耐熱性能分析

通過熱重分析研究了羧甲基纖維素鈉、羧基丁腈膠乳和羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠的熱穩(wěn)定性(見圖2)。由圖2可見，由于XNBRL的熱穩(wěn)定性較好，CMC/XNBRL復(fù)合氣凝膠樣品的熱分解達(dá)50%時(shí)的溫度隨XNBRL的含量增多而逐漸升高。此外，觀察到炭殘余物隨著CMC含量的增加而增加，因?yàn)榕cXNBRL相比，純CMC的炭殘余物更多。顯而易見，XNBRL的熱穩(wěn)定性比CMC更佳，隨著XNBRL的加入，CMC/XNBRL復(fù)合氣凝膠的熱穩(wěn)定性逐漸變好。

圖2 不同比例羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠的熱重分析曲線

2.3 機(jī)械性能分析

CMC氣凝膠和CMC/XNBRL復(fù)合氣凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3。在一般情況下，這些樣品表現(xiàn)出類似于彈性塑料聚合物泡沫的壓縮行為。由圖可知，隨著XNBRL的加入，氣凝膠樣品壓縮至對(duì)應(yīng)形變所需應(yīng)力有了明顯提升，意味隨著XNBRL的加入顯著提升了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這種現(xiàn)象可能與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變有關(guān)。從圖1的掃描電鏡圖像中可以看到，純的CMC氣凝膠樣品的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)雜亂無章，而引入XNBRL的復(fù)合氣凝膠樣品內(nèi)部形成整齊排列的片層結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)可能在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上對(duì)材料有一定程度的增強(qiáng)，隨著XNBRL含量的增多，片層之間的間距開始減小，層之間形成的附著物有增多的趨勢，這些附著物可能也有著支撐材料本身的作用。值得一提的是，仍需對(duì)這種氣凝膠的機(jī)械性能進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)分析來證實(shí)結(jié)果。

圖3 不同比例羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠的壓縮曲線

2.4 吸聲性能分析

圖4為不同羧基丁腈膠乳含量的羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠的吸聲性能曲線。由圖中不難看出，4條曲線具有相似的走勢，在1 500～2 500 Hz附近接近1的吸聲峰，這可能與以CMC為基體的氣凝膠的整體結(jié)構(gòu)有關(guān)，氣凝膠的高孔隙率給聲能耗散提供了大量的孔隙和通道，CMC冷凍干燥后，原本的溶劑冷凍升華后所形成的空腔也對(duì)吸聲性能有增強(qiáng)作用。但是，由圖中可以看到，純CMC氣凝膠在1 888 Hz處達(dá)到最大吸聲0.989，之后隨著聲波頻率的升高，吸聲性能開始有明顯下降的趨勢，而隨著XNBRL的引入，這種下降趨勢開始放緩，如圖4可以看到，引入XNBRL的復(fù)合氣凝膠在5 000 Hz高頻處吸聲系數(shù)仍能達(dá)到0.9左右，而純CMC氣凝膠已經(jīng)下降至0.7左右，這種現(xiàn)象可能與氣凝膠樣品的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。如圖1所示，引入XNBRL的復(fù)合氣凝膠，在內(nèi)部形成有利于聲波耗散的片層結(jié)構(gòu)，而隨著XNBRL含量的增多，片層間距有縮小的趨勢，且出現(xiàn)在片層間的附著物逐漸增多，這些可能會(huì)堵塞一些原本聲波耗散的通道，在一定程度上對(duì)吸聲性能有著負(fù)面影響，吸聲性能曲線圖也可以佐證這一點(diǎn)。不可否認(rèn)的是，在CMC含量和XNBRL含量比為7∶3時(shí)候，吸聲系數(shù)在2 286 Hz處能達(dá)到0.99，并且隨著頻率升高，吸聲系數(shù)仍能保持在0.9以上，這與引入XNBRL后氣凝膠內(nèi)部所形成的整齊的片層結(jié)構(gòu)密不可分。

圖4 不同比例羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠的吸聲性能曲線

3 結(jié)語

本研究采用羧甲基纖維素鈉作為氣凝膠基體，羧基丁腈膠乳作為粘合劑和穩(wěn)定劑，成功制備了羧甲基纖維素鈉/羧基丁腈膠乳復(fù)合氣凝膠，為吸聲領(lǐng)域的一種全新材料，通過測試得到了以下結(jié)論：①XNBRL的引入使氣凝膠內(nèi)部形成整齊有序的片層結(jié)構(gòu)。而隨著XNBRL含量的不斷增多，有片層間距縮小、附著支撐結(jié)構(gòu)增多的趨勢；②由熱重分析曲線可知，隨著XNBRL的含量增多，復(fù)合氣凝膠的耐熱性能逐漸變好；③由壓縮曲線和掃描電鏡綜合分析，XNBRL加入后在復(fù)合氣凝膠內(nèi)部所形成的附著支撐結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有明顯的提升作用；④以CMC為基體的氣凝膠在2 000 Hz左右能達(dá)到最佳吸聲性能，但隨著聲波頻率升高會(huì)有明顯下降，隨著XNBRL的引入，這種現(xiàn)象有明顯改善，在比例為CMC∶XNBRL=7∶3時(shí)，在2 286 Hz處達(dá)到0.99，能有最佳吸聲性能，并且隨著頻率升高，吸聲系數(shù)仍能保持在0.9以上。