基于化工环保的阻尼降噪复合材料性能实验研究
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摘 要：为降低环境噪声，提供环保无污染的降噪材料，进行基于化工环保的阻尼降噪复合材料性能实验。基于化工环保理念以及橡胶的良好减振缓冲特性，以回收得到的废旧橡胶作为环保材料，对其进行加热及机械处理，并复合玻璃纤维布（GFF），制备具有层合结构的GFF/PVC复合材料，利用DMA动态热机械分析仪、双声道声学分析仪等测试复合材料的阻尼性能、隔音降噪与力学等性能。实验发现，GFF/PVC复合材料可以有效隔音降噪，吸声性能明显。
关 键 词：阻尼性能;复合材料;隔音降噪;橡胶
中图分类号：TQ 042 文献标识码： A 文章编号： 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
噪声污染是目前整体环境污染的主要因素之一[1]，控制噪声的传播、降低振动引起的噪音是亟需解决的重大问题[2，3]。阻尼降噪材料可以将声音振动和机械振动产生的能量转化为热能并消耗，实现减振消声，已成为一种新型功能材料，受到相关研究学者的广泛关注[4]。因此，阻尼降噪材料的抗冲击、减振、隔绝噪声的性能也被广大学者研究[5]。
文献[6]优化自由阻尼的板件模型，利用Matlab编程创立自由阻尼板有限元结构，并利用Rayleigh积分法计算薄板成分的辐射值表达式;依据辐射声场内某点的声压最低值为参数，阻尼材料的体积为控制要求，编写了优化拓扑程序，建立優化拓扑模型。利用渐进结构优化算法，得到阻尼材料的最佳结构，并对比与以模态损耗值最大为基础的拓扑优化结果。文献[7]中提到纺织复合材料具有更柔性吸声隔音降噪性能，比单纯纺织品吸声域更加宽泛，且透气、轻薄以及易加工。从柔性降噪、降噪功能填料和新型纤维纺织复合材料三个方面叙述了柔性吸声隔音纺织品，并归纳总结了柔性降噪纺织品的制备方法。文献[8]设计合成了AO-2246和AO-80封端聚氨酯预聚物，经过固化处理能得到聚氨酯阻尼材料。采用扫描电镜表、差示扫描热分析和傅里叶变换红外光谱证明了该材料的宏观模型，并分析了聚醚相对分子质量、受阻酚种类和受阻酚含量对阻尼材料动态力学性能的影响。
由于玻璃纤维具有高强度、高绝缘性、抗腐蚀且耐高温等性能，且具有疏松结构，使得结构之间可流通空气，促进玻璃纤维具有一定的吸声特性。为此本文选取玻纤织物（经密 208/10 cm，纬密 200 根/10 cm，单丝根数200），将其与PVC基复合材料进行复合，研究不同结构试样的隔声等性能的差异。
1 实验部分
1.1 实验材料
基于化工环保理念，采用的橡胶原料为在纺织厂回收的废旧胶辊、胶圈经加热及机械处理后得到的再生胶粉，主要成分为丁腈橡胶（NBR）和聚氯乙烯（PVC）;硫酸钡，国药集团化学试剂有限公司;邻苯二甲酸二辛酯（DOP），透明油状液体，天门恒昌化工有限公司;环氧大豆油（ESO），浅黄色黏稠透明状液体，德州龙达油脂科技有限公司;三氧化二锑（Sb2O3）白色粉末，分析纯，国药集团化学试剂有限公司;PE蜡，临安华丽塑料有限公司。EW100玻璃纤维布（GFF），工业级，四川省玻纤集团有限公司。
1.2 实验仪器与设备
双辊筒混炼机（上海橡胶机械厂，SK-160B）;高速混合机，SHR-25 型，张家港市亿利机械有限公司;BSWAVS302USB型号双声道声学分析仪，北京声望公司;DMA动态热机械分析仪，Q800型，美国TA公司;平板硫化机，XK400型号，大连华韩橡塑机械有限公司。 1.3 样品的制备
空白样品制备：取100 g再生胶粉，40 g邻苯二甲酸二辛酯，10 g环氧大豆油，以及一定量的三氧化二锑，在高速搅拌状态下混合40 min后，加入400 g硫酸钡和1 g PE蜡，继续混合30 min后，作为初混材料，将其转入双辊筒混炼机内，开炼成塑化的薄片。选取定量已开炼好的薄片，在模具（厚度为1 mm）中平均分散铺好，然后放在平板硫化机中，温度要控制在140 ℃左右。先预熔20 min，再在10 MPa压力下热压30 min，取出，自然冷却，得到试样压制成所需的基体材料。
GFF/PVC复合材料制备：将不同量的玻璃纤维布加入初混材料中，转入进行反复混炼，以使纤维均匀分布于基体中，混炼40 min后将其取出，将混炼料室温冷却后，得混炼薄片以备用;最后将混炼料膜铺在厚度为0.5 mm、1 mm和2 mm的模具中，放入平板硫化机内，温度为140 ℃，先在卸载条件下预熔10 min，再在10 MPa下热压15 min中，取出，自然冷却得到试样。
以图1表示复合材料的结构示意图。
1.4 样品的测试
（1）阻尼性能测试
试样尺寸如图2所示。升温速度为5 ℃/min，控制温度范围在-20～80 ℃。
（2）隔音性能测试
以空气中的声音自由传输作为对比，测量空气中的衰减量与试样的声音衰减量。对每个样品均进行多次测试，取平均值。测试标准选择 ISOR140-1，ISOR140-170建筑及建筑构件的隔声测量标准，噪声源为90 dB。
2 结果与讨论
2.1 阻尼特性测试
阻尼性能对复合材料隔声性能的影响起着至关重要的作用，对以上制备的试样进行阻尼性能测试，得到图4试样的阻尼因子曲线。
由以上实验结果发现，GFF/PVC复合材料的阻尼因子始终高于单纯的PVC材料。在低于50 ℃时，整体阻尼因子呈现增加趋势;温度达到50 ℃后，整体呈现下降趋势。60 ℃以后，材料的阻尼性能逐渐下降，且复合材料的层数增加可以同时提高材料的阻尼性能。这可能是因为加入玻璃纤维后，阻碍了分子运动，提高了材料受到应力、应变的相位滞后性能，从而提高了阻尼性能，扩大了复合材料的阻尼温度范围;同时，玻纤织物的加入可以加大复合材料的内部摩擦，增加材料的能量损耗因子，增强能量转化能力，使声波入射后，复合材料需要消耗更多的声波能量，达到隔音降噪的目的。分析B和C曲线可以发现，层数的增加会提高复合材料的阻尼性能。
2.2 隔声性能测试
为排除玻璃纤维自身隔声性能的影响，测试纯玻璃纤维的隔声性能，如图5所示。
图5可以看出，频率在5 000 Hz时，隔声量达到最大值，隔声能力最强;由单独的玻纤织物隔声曲线可以发现，在不同频率下，玻纤织物均有一定的隔音降噪作用，但隔声量较小，平均为2 dB，不满足实际应用要求，因此单独的玻纤织物不适合作为隔音材料。这可能是由于，在声波入射到玻纤织物表面后，样品表面会发生一定的声波反射或折射，致使声波进入玻纤织物的内部结构中，由于玻纤织物自身的振动或纤维之间的相互摩擦作用，消耗了部分声能，将其转化为热能并吸收。因此，单独的玻纤织物具有一定的隔声作用，但由于玻纤织物表面积有限且内部结构较为简单，使其总体隔声性能不高，限制了实际应用。
测试复合材料的隔聲降噪性能，具体实验结果如图6所示。
由图6可知，GFF/PVC复合材料的隔声量同单层 PVC材料的变化曲线类似，对比图5可知，起主要隔声作用的为PVC材料。根据频率从低到高分为三个区域：将100～630 Hz范围内的频率作为低频区，由于在该频率范围内，声波波长较长，整体绕射能力较强，使得声波可以通过玻纤织物中的纱线间或纤维之间的空隙，导致玻纤织物的吸声作用不明显;将630～1 250 Hz视为中频区，该区域各样品的隔声量相近，都是以近似斜率 12 dB/倍频程的直线线性增长;将大于1 250 Hz的区域视为高频区，该区域的隔音性能主要是受到阻尼性能的影响。在该频率区域的波长较短，因此在材料内部易发生折射或者反射，消耗声能，起到隔音降噪的作用。由于层合结构会提高阻尼性能，因此层合结构在一定程度上也会提高材料的隔音性能。
2.3 拉伸性能测试
材料的拉伸性能决定了材料的使用性。对试样拉伸性能，测试结果如图7。
分析图7可知，GFF/PVC复合后比纯PVC材料的拉伸性能高，其可承受的拉伸载荷更高，但其拉伸长度更少，且随着复合层数的增加，所能承受的拉伸载荷随之增加，但拉伸长度更低，表明层合结构会降低整体材料的延伸性。这可能是由于在初始拉伸过程中，玻纤织物是复合材料的主要拉伸载荷承受主体，拉伸载荷逐渐增加，导致玻纤织物内部脆弱部位断裂;在层合复合材料中，玻纤织物的界面与整体材料之间具有黏结力，拉伸载荷的增加会导致玻纤织物界面从整体结构中抽离，此时需要克服界面之间的黏结力，因此增加了可承受的拉伸载荷。
3 结 论
（1）基于化工环保理念，选取了废旧橡胶制备得到的再生胶粉作为原料，将其与玻纤织物进行复合，得到不同层合结构的复合样品。
（2）实验发现，复合GFF/PVC材料可以提高单层PVC材料的阻尼性能，且复合材料层数越高，阻尼性能越好。
（3）GFF/PVC复合材料的不同层合结构对材料的隔声性能具有不同影响，且层数越多的复合材料具有的隔声性能越优。
（4）复合玻纤织物后，可有效提高单层PVC材料的拉伸力学性能，且复合层数越高，整体复合材料的强度越高。
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