基于低頻噪聲防護(hù)的高阻尼硅橡膠改性ABS隔音材料的制備

劉 輝，孫梅榮，張國(guó)英，王 瑛，張 永，謝連科，臧玉魏，馬新剛，鞏泉泉，竇丹丹

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東省濟(jì)南市 250002；2. 山東兆圭高分子材料科技有限公司，山東省濟(jì)南市 250013）

基于低頻噪聲防護(hù)的高阻尼硅橡膠改性ABS隔音材料的制備

劉 輝1，孫梅榮2，張國(guó)英1，王 瑛2，張 永1，謝連科1，臧玉魏1，馬新剛1，鞏泉泉1，竇丹丹1

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東省濟(jì)南市 250002；2. 山東兆圭高分子材料科技有限公司，山東省濟(jì)南市 250013）

以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）為基體，高阻尼硅橡膠為填料，制備了不同配方的高阻尼硅橡膠改性ABS隔音材料，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、掃描電子顯微鏡等研究了材料的力學(xué)性能、微觀形貌及隔音效果。結(jié)果表明：隨著高阻尼硅橡膠含量的增加，改性ABS隔音材料的耐熱性能和隔音性能逐漸增強(qiáng)，力學(xué)性能卻逐漸下降。綜合考慮材料的隔音效果與力學(xué)性能得出，高阻尼硅橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%時(shí)，改性ABS隔音材料最適用于低頻噪聲的防護(hù)。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物 硅橡膠 隔音材料 低頻噪聲 力學(xué)性能 熱性能

噪聲污染影響人的心理和生理健康，已成為公認(rèn)的環(huán)境問(wèn)題之一。噪聲對(duì)人的危害，不僅與聲壓級(jí)有關(guān)，也與頻率特性密切相關(guān)。與高頻噪聲相比，低頻噪聲的危害長(zhǎng)期被低估［1］。低頻噪聲是指頻率在20～500 Hz的噪音，具有穿透能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。低頻噪聲主要來(lái)自電梯、變壓器、高樓中的水泵、中央空調(diào)（包括冷卻塔）發(fā)出的噪聲及交通噪聲等，其中，電廠、輸變電站是低頻噪聲污染的重點(diǎn)區(qū)域。低頻噪聲可導(dǎo)致注意力難以集中，思維能力下降，對(duì)聽(tīng)力及心血管系統(tǒng)造成損傷，影響內(nèi)分泌調(diào)節(jié)［2］。研究表明，長(zhǎng)時(shí)間暴露在低頻噪聲環(huán)境中，誤操作率及事故率明顯升高［3］。因此，如何做好噪聲控制，尤其是低頻噪聲防護(hù)是近年來(lái)學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)［3-6］。

目前，控制噪聲的基本方式有隔聲、吸聲、阻尼和隔振［7-8］。傳統(tǒng)隔聲工程一般采用密度高、厚度大的材料以提高隔聲效果，但其成本高、施工困難。聚合物具有種類多、質(zhì)量輕、易加工等特點(diǎn)，但其密度較小，隔音效果不佳［9-11］。為充分發(fā)揮聚合物的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)其隔聲效果，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了以聚合物為基體的復(fù)合隔音材料，該類材料采用多相復(fù)合材料體系，在材料內(nèi)部形成密度不同的多界面結(jié)構(gòu)［12-13］。它既具有高效的隔聲、吸聲性能，又具有質(zhì)量輕、加工性能好、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)；但與大多數(shù)高分子材料類似，采用多相復(fù)合技術(shù)制備的隔聲材料的隔聲頻段依然集中在中高頻區(qū)（500～ 5 000 Hz），對(duì)低頻噪音的阻隔效果不佳［14-15］。

從聲音傳播機(jī)理分析，如果材料的固有振動(dòng)頻率與聲波震動(dòng)頻率相近，則聲音的傳遞效果好、隔音效果差［16-17］。因此，要提高材料隔音效果，除提高材料對(duì)聲音的反射外，還必須提高材料在使用溫度范圍內(nèi)的損耗因子，增加對(duì)振動(dòng)能量的消耗［18-20］。因此，選擇高損耗因子的材料用于防護(hù)用品是解決低頻噪音阻隔的關(guān)鍵。本研究以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）作主體材料，選用在室溫條件下對(duì)低頻噪聲有良好耗散作用的高阻尼硅橡膠為改性材料，制備了高阻尼硅橡膠改性ABS隔音材料，并研究了其結(jié)構(gòu)與性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

ABS，PA-757，市售；過(guò)氧化苯甲酰（BPO），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；高阻尼硅橡膠（本研究采用甲基苯基硅橡膠），山東大學(xué)自制；SiO2微粉，粒徑200～300 μm，梧州市穎豐礦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

1.2 主要儀器與設(shè)備

XK-160型雙輥開(kāi)煉機(jī)，青島光越橡膠機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)；CTE-20型同向雙螺桿配混擠出機(jī)，科倍隆科亞（南京）機(jī)械有限公司生產(chǎn)；UTM4203型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)；XJJ-50型簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)；XHR-150型塑料洛氏硬度計(jì)，上海材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)；LABSYS EVO型同步熱分析儀，法國(guó)賽特拉姆儀器公司生產(chǎn)；SW422型阻抗管，北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

1.3 試樣制備

高阻尼硅橡膠改性ABS母料的制備：在開(kāi)煉機(jī)中加入100 g高阻尼硅橡膠，混煉2～3 min，再加入2 g的BPO，繼續(xù)混煉6 min，薄通3次，下片，備用。將開(kāi)煉機(jī)溫度設(shè)定為前輥165 ℃，后輥165℃，將干燥后的100 g ABS粒料加入兩輥間，塑化包輥；將混煉好的高阻尼硅橡膠和BPO混合物，分成小塊，逐步加入到ABS熔體中，繼續(xù)混煉5 min，下片，冷卻，粉碎，得到高阻尼硅橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的ABS母粒。

改性ABS隔音材料的制備：將100 g高阻尼硅橡膠改性ABS母料分別與2 400.0，900.0，400.0，233.3，150.0 g的ABS混合均勻，熔融擠出，造粒，干燥，得到高阻尼硅橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，5%，10%，15%，20%的隔音材料，制成測(cè)試樣條。

1.4 測(cè)試與表征

力學(xué)性能按GB/T 1040.2—2006測(cè)試；彎曲性能按GB/T 9341—2008測(cè)試，洛氏硬度按GB/T 3398.2—2008 測(cè)試。

差示掃描量熱法（DSC）分析用法國(guó)賽特拉姆儀器公司生產(chǎn)的LABSYS EVO型同步熱分析儀測(cè)試，溫度30～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

掃描電子顯微鏡（SEM）觀察采用日本Jeol電子公司生產(chǎn)的JSM-6610LV型掃描電子顯微鏡，試樣斷面噴金處理。

隔聲系數(shù)采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SW422型阻抗管，用傳遞函數(shù)的方法測(cè)試試樣的法向隔聲特性，試樣為直徑10 cm，厚3 mm的圓形樣片，測(cè)試頻率為63～1 600 Hz，采用VA-lab4-IMP測(cè)試軟件處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻尼特性

為探討高阻尼硅橡膠的損耗因子與溫度的關(guān)系，選用125 Hz作為低頻噪音的特征頻率。從圖1可以看出：在0～35 ℃時(shí)，高阻尼硅橡膠的損耗因子大于0.28，遠(yuǎn)高于普通材料的損耗因子（如二甲基硅橡膠的損耗因子是0.15，天然橡膠的損耗因子是0.20）。另外，與其他橡膠相比，高阻尼硅橡膠中苯基含量高，與ABS有一定相容性，有利于改性材料中橡膠相的分布；硅橡膠還有良好的人體相容性，因此，可以用于制備與人體接觸的隔音制品。

2.2 力學(xué)性能

圖1 高阻尼硅橡膠損耗因子與溫度的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between decay factor of high dampingsilicone rubber and temperature

圖2 純ABS及改性ABS的力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of ABS resin with different contents of high damping silicone rubber

從圖2可以看出：隨著高阻尼硅橡膠用量的增加，改性ABS的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、洛氏硬度逐漸降低。簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低再增加，然后再降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)楦咦枘峁柘鹉z與ABS的相容性較差，界面部位的相互作用力較弱，硅橡膠在復(fù)合體系中存在相分離現(xiàn)象，因此受到較大外力后易變形，力學(xué)性能逐漸下降；另一方面，高阻尼硅橡膠在復(fù)合材料中是橡膠相，在受到應(yīng)力后，橡膠相發(fā)生變形，吸收能量，同時(shí)誘導(dǎo)ABS變形，將震動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)摩擦，最終以熱的形式釋放到周圍環(huán)境［7,15］。改性ABS的力學(xué)性能雖有一定程度下降，但仍滿足隔音材料使用要求。

2.3 熱性能

高阻尼硅橡膠的主鏈?zhǔn)荢i—O—Si，化學(xué)鍵能高，因此具有優(yōu)異的耐熱性、耐候性；Si—O—Si分子主鏈成螺旋狀，賦予了高阻尼硅橡膠良好的壓縮回彈性；側(cè)基是甲基和苯基兩種基團(tuán)，沿主鏈交替排布，賦予了高阻尼硅橡膠耐電壓、高阻尼的特性。

從圖3可以看出：純ABS在450 ℃時(shí)的質(zhì)量保持率接近于0。這是由于純ABS在高溫條件下逐漸分解為小分子造成的［21］。溫度超過(guò)400 ℃后，改性ABS的質(zhì)量保持率隨硅橡膠含量的增加而逐步增加。這是因?yàn)楦咦枘峁柘鹉z具有較好的耐高溫性能，加入到ABS中后，一方面自身在高溫條件下可以分解為SiO2，另一方面對(duì)ABS分解產(chǎn)生一定的抑制作用，導(dǎo)致復(fù)合材料的質(zhì)量保持率增加。純ABS在加熱過(guò)程中有微小的上升趨勢(shì)，是由于ABS中含有不飽和鍵，其α氫活潑，在受熱過(guò)程中與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致質(zhì)量開(kāi)始有上升趨勢(shì)［22］。

圖3 純ABS樹脂及改性ABS樹脂的熱重分析曲線Fig.3 Thermogravimetric curve of ABS with different contentof high damping silicone rubber

從圖4可以看出：所有試樣在100 ℃附近出現(xiàn)一個(gè)明顯的熱轉(zhuǎn)變，是ABS中硬段聚苯乙烯的融化溫度；高阻尼硅橡膠含量不同，放熱峰的大小有所差異，原因在于制備過(guò)程中混煉不均勻，阻尼硅橡膠在ABS中的分布不均勻，試樣中阻尼硅橡膠含量存在差異所致。此外，在400 ℃附近均出現(xiàn)的比較明顯的吸熱峰是ABS分解吸熱導(dǎo)致的［20］。

2.4 SEM觀察

圖4 純ABS及改性ABS的DSC曲線Fig.4 DSC curve of ABS with different content of high damping silicone rubber

從圖5看出：純ABS樹脂是典型的脆性斷裂；隨著高阻尼硅橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%增大到10%，復(fù)合材料中球狀橡膠顆粒數(shù)目逐漸增多，尺寸也逐漸增大，橡膠粒子與樹脂基體之間的界面較為清晰，表明高阻尼硅橡膠分散在ABS中，但與ABS的相容性不好；當(dāng)高阻尼硅橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)增到20%以上時(shí)，出現(xiàn)界面清晰的斷裂區(qū)域。造成這種現(xiàn)象的原因是：雖然通過(guò)加入過(guò)氧化物引發(fā)劑對(duì)材料接枝改性［23］，但由于高阻尼硅橡膠與ABS的溶度參數(shù)［24］相差太大，兩相分離，形成缺陷。同時(shí)阻尼硅橡膠的強(qiáng)度比ABS低，隨著高阻尼橡膠含量提高，在拉伸過(guò)程中橡膠相斷裂，形成不規(guī)則的斷裂區(qū)域［23］。高阻尼硅橡膠改性ABS的SEM照片分析結(jié)果與材料力學(xué)性能所表現(xiàn)的變化一致。

圖5 純ABS及改性ABS的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM of ABS with different content of high damping silicone rubber

2.5 隔音性能評(píng)價(jià)

從圖6看出：ABS在頻率為150～300 Hz時(shí)，隔聲量較低；加入高阻尼硅橡膠后，材料的低頻隔聲量大幅提高；隔聲量在頻率小于100 Hz時(shí)減少，共振頻率向高頻方向移動(dòng)；純ABS的共振中心頻率在250 Hz附近，而改性ABS的共振中心頻率為700 Hz，低頻隔聲效果明顯。這主要與隔音材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，一方面，在實(shí)驗(yàn)條件下，高阻尼硅橡膠的鏈段運(yùn)動(dòng)能力與低頻噪聲振動(dòng)頻率相適應(yīng)，聲波在其中傳播時(shí)，增大了內(nèi)部損耗，消耗了噪聲振動(dòng)能；另一方面，橡膠相與ABS相的模量差別大，兩相之間具有一定的結(jié)合力，形成微約束阻尼結(jié)構(gòu)，聲波在界面處傳播行為發(fā)生變化的同時(shí)還經(jīng)歷了多次反射，提高了隔聲效果［8,16］。隨著高阻尼硅橡膠含量的增加，改性材料的降噪幅值增大。質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%和20%的高阻尼硅橡膠改性ABS在頻率為600 Hz以下的隔音效果相近。因此，高阻尼硅橡膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最好控制在10%～15%。

3 結(jié)論

a）ABS中添加高阻尼硅橡膠后，可有效提高其對(duì)低頻噪聲的阻隔性能。

b）隨著高阻尼硅橡膠用量的增加，改性ABS的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、洛氏硬度等下降，耐高溫性能和隔音性能增強(qiáng)。

c）高阻尼硅橡膠的用量較大時(shí)，雖然對(duì)低頻噪聲的隔音效果增加，但易導(dǎo)致改性ABS樹脂出現(xiàn)嚴(yán)重的相分離。因此，高阻尼硅橡膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳為10%～15%。

圖6 不同高阻尼硅橡膠含量對(duì)ABS隔音效果的影響Fig.6 Effect of different content of high damping silicone rubber on ABS’s sound insulation

d）高阻尼硅橡膠改性ABS樹脂，可用于不同噪聲源的低頻噪聲防護(hù)用品的制備。

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Preparation of high damping silicone rubber
modified ABS resin as low-frequency noise insulating material

Liu Hui1， Sun Meirong2， Zhang Guoying1， Wang Ying2，Zhang Yong1， Xie Lianke1， Zang Yuwei1， Ma Xingang1， Gong Quanquan1， Dou Dandan1

（1.Shandong Research Institute of Electric Power， State Grid， Jinan 250002，China；2.Shandong Zhaogui Polymer Material Technology Co.， Ltd.， Jinan 250013， China）

The acoustic insulating materials described in this paper are prepared by modified acrylonitrilebutadiene-styrene copolymer （ABS） as basal body and high damping silicone rubber as filler. The mechanical properties， micro-morphology and acoustic insulating effect of the products with different content of high damping silicone are tested with the help of electron universal testing machine and scanning electron microscope（SEM）. The results indicate that the heat and sound insulating properties improve with the content of silicon rubber increasing， while the mechanical properties weaken. In conclusion， the modified ABS resin with 10%-15% of high damping silicon rubber has best performance in low frequency noise protection.

acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer； silicone rubber； acoustic insulating materials；low frequency noise； mechanical property； heat property

X 966

B

1002-1396（2016）01-0068-06

2015-07-28；

2015-10-27。

劉輝，男，1985年生，碩士，工程師，2010年畢業(yè)于清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)環(huán)保與職業(yè)衛(wèi)生技術(shù)監(jiān)督服務(wù)。E-mail：liuhuijeff@163. com；聯(lián)系電話：（0531）67982964。