不同揚(yáng)聲器折環(huán)材料的耐老化性能研究*

羅 勇，張瀟楊，王世偉，謝守華

(1 國光電器股份有限公司，廣東 廣州 510800；2 廣東省電聲電子技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510800)

近年來，隨著揚(yáng)聲器的應(yīng)用場景不斷變化，尤其是在戶外音箱、汽車?yán)戎械膽?yīng)用，這對折環(huán)材料的要求越來越高，要求折環(huán)具有良好的耐老化性能[1-2]。普通橡膠材料，比如IIR、SBR和NBR，由于具有較好的強(qiáng)度、阻尼和耐老化性能，被廣泛應(yīng)用于揚(yáng)聲器折環(huán)中，但橡膠材料密度大，振動質(zhì)量較大，導(dǎo)致其靈敏度和聲壓級較低，因此某些場合也需要選用發(fā)泡材料[3-4]，常見的發(fā)泡材料有PU泡棉和發(fā)泡橡膠，這些材料的耐老化性能也各不相同[5]。

本文選用PU泡棉、IIR、SBR、NBR和發(fā)泡橡膠作為揚(yáng)聲器折環(huán)材料，通過以物理機(jī)械性能和聲學(xué)性能作為評價(jià)指標(biāo)，對比各材料在UV老化、高溫高濕和高溫烘烤環(huán)境下的表現(xiàn)，為折環(huán)后續(xù)材料選用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料

丁腈橡膠，牌號3345，南帝公司產(chǎn)品；丁基橡膠，牌號ExxonTMBromobutyl 2255，?？松井a(chǎn)品；丁苯橡膠，牌號1502，蘭州石化公司產(chǎn)品；炭黑N550，卡博特公司產(chǎn)品；其他均為市售級工業(yè)產(chǎn)品。

1.2 儀器及設(shè)備

CF-2L密煉機(jī)，東莞市昶豐橡塑機(jī)械科技有限公司；YF-6雙輥開煉機(jī)，東莞市裕鋒機(jī)械有限公司；100-THC-2RT-D平板油壓成型機(jī)，東莞市裕鋒機(jī)械有限公司；QUV紫外加速老化試驗(yàn)機(jī)，Q-Lab公司；MHK恒溫恒濕試驗(yàn)箱，Terchy公司；DHG-9203A鼓風(fēng)干燥箱，上海左樂儀器有限公司。

1.3 基本配方

試驗(yàn)基礎(chǔ)配方如表1所示。

表1 不同橡膠基礎(chǔ)配方Table 1 Base formulations of different rubber

表2 不同折環(huán)材料的揚(yáng)聲器在UV老化后的諧振頻率變化率Table 2 Resonant frequencies change rate of different speaker edge after UV aging

表3 不同折環(huán)材料的揚(yáng)聲器在高溫高濕后的諧振頻率變化率Table 3 Resonant frequencies change rate of different speaker edge after high temperature and humidity test

表4 不同折環(huán)材料的揚(yáng)聲器在高溫高濕后的諧振頻率變化率Table 4 Resonant frequencies change rate of different speaker edge after high temperature baking

1.4 試樣制備

材料材料具體混煉步驟如下：

(1)將密煉機(jī)溫度升高至80 ℃，依次將生膠、硬脂酸、炭黑、碳酸鈣、增塑劑、防老劑加入密煉機(jī)，以30 r/min混合10 min。

(2)密煉機(jī)溫度降低至40 ℃，加入硫磺、促進(jìn)劑TMTD、促進(jìn)劑DM和氧化鋅，繼續(xù)以30 r/min混合3～5 min。

(3)將混煉好的膠料在開煉機(jī)中翻煉，薄通3～4次后下片，取出用強(qiáng)風(fēng)吹干冷卻，膠料繼續(xù)放置8 h以上。

(4)切取膠料放入平板硫化機(jī)中，在150～190 ℃硫化成型。

PU泡棉制備工藝：將新力19厘泡棉放入熱壓機(jī)中，通過特定模具壓制成片材或折環(huán)。

1.5 老化存儲條件

1.5.1 UV老化

UV老化試驗(yàn)條件如下：溫度60 ℃，光照強(qiáng)度0.89 W/m2，UVA-340燈，時(shí)間72 h。

1.5.2 高溫高濕

高溫高濕試驗(yàn)條件如下：溫度85 ℃，相對濕度85%RH，試驗(yàn)時(shí)間96 h。

1.5.3 高溫烘烤

高溫烘烤試驗(yàn)條件如下：溫度120 ℃，時(shí)間24 h。

1.6 性能測試

硫化膠的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率按照GB/T 528-2009測試；

硫化膠的拉伸彈性模量由于無直接的標(biāo)準(zhǔn)，測試參考GB/T 1040.1-2018，按0.25%～1%區(qū)間的斜率計(jì)算，數(shù)值僅供參考。

老化后諧振頻率測試：按照規(guī)格制作好不同材料的折環(huán)，在不同條件下進(jìn)行老化試驗(yàn)，然后再上膠、干燥后熱壓貼盆，裝配成喇叭后測試其聲學(xué)性能。

力學(xué)性能變化率依照公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：R為力學(xué)性能變化率，X0為老化前試樣的力學(xué)性能值，X為老化后試樣的力學(xué)性能值。

諧振頻率變化率依照公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：ξ為諧振頻率變化率，f01為老化前的諧振頻率，f02為老化后的諧振頻率。

2 結(jié)果與討論

2.1 UV老化

由圖1可以看出，PU泡棉的經(jīng)UV老化后，其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、彈性模量及諧振頻率均變化最大，這是由于PU材料表面在紫外光照射后，其能量超過PU分子鏈的某些共價(jià)鍵解離能，發(fā)生降解，引發(fā)了光氧化反應(yīng)，導(dǎo)致力學(xué)性能下降嚴(yán)重[6-7]，其光氧化機(jī)理如圖2所示。

圖1 不同材料在UV老化后力學(xué)性能變化率Fig.1 Mechanical properties change rate of different materials after UV aging

圖2 聚氨酯的UV老化機(jī)理Fig.2 UV aging mechanism of polyurethane

NBR和發(fā)泡橡膠(基材為NBR)由于分子鏈聚丁二烯結(jié)構(gòu)較多，其主鏈不飽和度較高，而不飽和碳鏈的光穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致其力學(xué)性能和聲學(xué)性能的變化率均較大。

IIR與SBR的耐光氧老化性能最好，適合用于需要外露的戶外音箱或淺色橡膠音箱產(chǎn)品。與NBR不同，IIR主鏈不飽和度不超過2.5%，氧化反應(yīng)位點(diǎn)較少，抗光氧老化性能較好。而SBR由于含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，受到UV光照后，主鏈分子進(jìn)入激發(fā)態(tài)，電子會進(jìn)入穩(wěn)定的苯環(huán)，同時(shí)苯環(huán)的大π鍵可以將激發(fā)能轉(zhuǎn)化為熱量而排出[8]。

2.2 高溫高濕

由圖3可知，高溫高濕條件下，兩種發(fā)泡材料(發(fā)泡橡膠和PU泡棉)的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和諧振頻率變化均最大，可能由于內(nèi)部存在微孔，發(fā)泡材料與濕氣和氧氣的接觸面積更大，從而加快了兩者的老化，同時(shí)聚氨酯在高溫下，某些基團(tuán)也易發(fā)生水解而出現(xiàn)分子鏈斷裂，如脲基團(tuán)、酯基和氨基甲酸酯基等。

圖3 不同材料在高溫高濕后力學(xué)性能變化率Fig.3 Mechanical properties change rate of different materials after high temperature and humidity test

圖4 不同材料在高溫烘烤后力學(xué)性能變化率Fig.4 Mechanical properties change rate of different materials after high temperature baking

相對而言，普通橡膠材料(NBR、IIR和SBR)高溫高濕后變化均較小，同時(shí)由于IIR是飽和橡膠，其拉伸強(qiáng)度和彈性模量變化率均較小。因此，在熱帶、潮濕環(huán)境下使用的揚(yáng)聲器，最好使用橡膠材料。

2.3 高溫烘烤

在120 ℃高溫烘烤下，主要進(jìn)行的是熱氧老化反應(yīng)，由于發(fā)泡材料內(nèi)部孔洞的原因，熱空氣與發(fā)泡材料的接觸面積較大，PU泡棉和發(fā)泡橡膠的力學(xué)性能和聲學(xué)性能變化率均較大。

由于橡膠中普遍加入防老劑4010NA和防老劑RD，其對橡膠的熱氧老化防護(hù)效果較好，橡膠材料在高溫烘烤下力學(xué)性能和聲學(xué)性能變化均不大。因此，在一些大功率或金屬振膜揚(yáng)聲器中，使用橡膠材料是較優(yōu)選擇。

3 結(jié) 論

(1)IIR與SBR的耐光氧老化性能最好，適合用于需要外露的戶外音箱或淺色橡膠音箱產(chǎn)品。

(3)普通橡膠材料(NBR、IIR和SBR)高溫高濕后變化均較小，適合熱帶、潮濕環(huán)境下使用的場景。

(4)橡膠材料在高溫烘烤下力學(xué)性能和聲學(xué)性能變化均不大，適合用于大功率或金屬振膜揚(yáng)聲器中。