硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料的吸聲性能研究

公晉芳

(許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 許昌 461000)

噪聲污染已經(jīng)成為世界性難題.噪聲污染來源廣，對(duì)人的身體和精神都有極大的不良影響，國際上將噪聲污染列為世界三大環(huán)境污染之一，研究高效吸聲材料已成為吸聲科研人員研究的熱點(diǎn)[1-2].

硅藻土是一種天然材料，不含有害化學(xué)物質(zhì)，具有硅藻殼體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)吸附性、高孔隙度及耐高溫等優(yōu)良性質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于化工、建材等眾多工業(yè)領(lǐng)域.許多以硅藻土為原料的新型室內(nèi)外裝修材料越來越受到消費(fèi)者的青睞；同時(shí)，硅藻土的多孔性和較大的吸附能力又使其成為吸聲材料的可能選擇[3-5].聚丙烯是一種新型熱塑性高分子材料，性能優(yōu)異，具有高強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)和容易加工等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛，但其具有塑料的普遍弊病，如使用溫度范圍窄、易老化等，從而限制了聚丙烯的進(jìn)一步應(yīng)用[6].陳瑩[7]和汪廣恒等[8]將硅藻土作為增強(qiáng)相來提高聚氨酯硬泡的力學(xué)性能；梁基照等[9]在聚丙烯中添加了硅藻土，經(jīng)過測(cè)試后發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料的整體強(qiáng)度得到了提高.

多孔吸聲材料是聲波通過微孔的過程中,利用摩擦和黏滯力的作用,將聲能轉(zhuǎn)化成為熱能,從而達(dá)到吸聲的目的[10].基于此，本工作擬采用硅藻土、可溶性NaCl、聚丙烯、發(fā)泡劑、開孔劑為原料，制備具有一定壓縮性能的硅藻土/聚丙烯復(fù)合吸聲材料，并對(duì)該復(fù)合材料的組織形貌、壓縮性能和吸聲性能進(jìn)行觀察分析.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

原材料：宜興市君聯(lián)有限公司一級(jí)硅藻土，其化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為SiO2(83.84%)、Al2O3(6.02%)、Fe2O3(2.27%)、CaO(0.56%)和MgO(0.29%)，堆積密度0.35g/cm3，孔容積0.45mL/g，比表面積19.1m2/g，孔徑50～800nm；北京燕山鑫天澤化工有限公司生產(chǎn)的4220聚丙烯，密度0.92g/cm3，吸水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.01%；江蘇索普有限公司生產(chǎn)的141B發(fā)泡劑(分析純)；NaCl(分析純)；廣州吉盛科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的KEM-349脫模劑(分析純).

試驗(yàn)設(shè)備：上海電子天平儀器銷售中心AE200型電子天平，德國科爾蔡司公司的JSM-5600LV型掃描電鏡，南京杰亞擠出裝備有限公司的SY-6217-A型雙螺桿擠出造粒機(jī)，創(chuàng)宏儀器設(shè)備有限公司的CH-0203型平板硫化機(jī)，一諾世紀(jì)試驗(yàn)儀器有限公司的WDW-200型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，上海恒鼎設(shè)備廠HDHWHS-50型恒溫恒濕試驗(yàn)箱，杭州愛華儀器有限公司AWA8551T型傳遞函數(shù)阻抗管吸聲測(cè)試系統(tǒng).

1.2 試驗(yàn)方法

硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料的基本配比(質(zhì)量份數(shù)，下同)為：硅藻土20～40份、聚丙烯60份、NaCl 10～20份、開孔劑2份和發(fā)泡劑20份.按上述配比稱量各原材料，并放在瑪瑙研缽中手工干混30min，然后將混合均勻的物料放入雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行擠出造粒，再將擠出顆粒在恒溫恒濕試驗(yàn)箱中進(jìn)行90℃干燥處理，4h后放入成型模具內(nèi)，采用平板硫化機(jī)在170～180℃下壓制成型，制備成300mm×300mm×150mm的硅藻土/聚丙烯復(fù)合吸聲材料樣品.

1.3 樣品性能表征方法

根據(jù)原材料的不同配比和不同合成工藝，共制備了9個(gè)樣品.通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的微觀形貌，采用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的壓縮性能，采用傳遞函數(shù)阻抗管吸聲測(cè)試系統(tǒng)按GB/T 18696.2—2002(ISO 10534-2：1998)《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第2部分 傳遞函數(shù)法》測(cè)試樣品的吸聲性能.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料組織形貌分析

圖1是硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料組織形貌圖.合成工藝為：硅藻土20～40份、聚丙烯60份、NaCl 15份、開孔劑2份和發(fā)泡劑20份，發(fā)泡時(shí)間(t)為15min，發(fā)泡溫度(θ)為175℃，共制備3個(gè)樣品.當(dāng)復(fù)合材料中硅藻土質(zhì)量份數(shù)為20份時(shí)，觀察圖1(a)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料組織顆粒呈不規(guī)則狀，粒度約為5～11μm，孔隙率較低且孔徑大小不一.當(dāng)硅藻土質(zhì)量份數(shù)為30份時(shí)，如圖1(b)所示，復(fù)合材料組織孔隙率較大且孔徑大小不均，此時(shí)復(fù)合材料的多孔性最佳，從吸聲角度分析，聲波通過這些微小孔洞時(shí)極有可能發(fā)生衍射，孔道中的空氣與孔隙孔壁產(chǎn)生充分的摩擦，損耗大量聲能而達(dá)到吸聲的目的[11].當(dāng)硅藻土質(zhì)量份數(shù)增至40份時(shí)，復(fù)合材料的孔隙率降低，孔徑大小不一且內(nèi)部發(fā)生團(tuán)聚.原因是隨著復(fù)合材料中硅藻土質(zhì)量份數(shù)的增加，聚丙烯在其中的含量會(huì)相對(duì)減少，而復(fù)合材料中的孔隙多來自于聚丙烯，從而致使復(fù)合材料的孔隙率降低；另外，硅藻土質(zhì)量份數(shù)增加過多時(shí)，會(huì)使復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)生團(tuán)聚.

圖1 硅藻土質(zhì)量份數(shù)對(duì)復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)的影響Fig.1 Influence of diatomite portion on the microstructure of the composite materials

2.2 硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度及彈性模量分析

抗壓強(qiáng)度和彈性模量是衡量多孔材料性能好壞的重要指標(biāo).為了研究發(fā)泡溫度θ和發(fā)泡時(shí)間t對(duì)復(fù)合材料樣品抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，設(shè)計(jì)樣品合成工藝為：硅藻土30份、聚丙烯60份、NaCl 15份、開孔劑2份和發(fā)泡劑20份，發(fā)泡時(shí)間為12～18min，發(fā)泡溫度為170～180℃，共有5個(gè)樣品.圖2是不同發(fā)泡時(shí)間下，發(fā)泡溫度對(duì)硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響曲線.由圖2(a)可見，硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度整體變化趨勢(shì)是隨著發(fā)泡溫度的增加而增加.原因是發(fā)泡溫度升高，會(huì)增大復(fù)合材料內(nèi)部組織的結(jié)合力及韌性，進(jìn)而增大其斷裂強(qiáng)度[12]；同時(shí)，提高發(fā)泡溫度又會(huì)促進(jìn)聚丙烯發(fā)泡的均勻性，提高硅藻土與聚丙烯的相容性和界面黏結(jié)，使硅藻土顆粒在聚丙烯中均勻分布，應(yīng)力能更好地傳遞給無機(jī)粒子，最終提高復(fù)合材料的強(qiáng)度.另外，在其他合成工藝相同的條件下，發(fā)泡時(shí)間為15min時(shí)，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度比較理想，要高于發(fā)泡時(shí)間為12，18min時(shí)的抗壓強(qiáng)度，此時(shí)，硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料的平面受冷收縮面減小，抗壓強(qiáng)度較高，當(dāng)發(fā)泡溫度為180℃時(shí)，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度可達(dá)12.4MPa.由圖2(b)可見，硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料的彈性模量整體變化趨勢(shì)是隨著發(fā)泡溫度增加呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢(shì)，其中突變溫度為175℃.當(dāng)發(fā)泡溫度從170℃升至175℃ 時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量增加較為明顯，當(dāng)發(fā)泡溫度為175℃時(shí)，發(fā)泡時(shí)間為15min的復(fù)合材料彈性模量為0.38GPa.當(dāng)發(fā)泡溫度從175℃升至180℃時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量開始下降.原因是在一定溫度范圍內(nèi)，發(fā)泡溫度越高，硅藻土與聚丙烯結(jié)合的效果越明顯，超出該溫度范圍后，多孔材料內(nèi)部會(huì)過分發(fā)泡，出現(xiàn)并泡，造成孔道泡孔分布不均，致使復(fù)合材料的彈性模量出現(xiàn)較為明顯的降低.

圖2 發(fā)泡溫度對(duì)復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響Fig.2 Influence of foam temperature on the compressive strength and elastic modulus of the composite materials

2.3 硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料的吸聲系數(shù)分析

為討論硅藻土和NaCl質(zhì)量份數(shù)對(duì)硅藻土/聚丙烯復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了以下樣品合成工藝：硅藻土20～40份、聚丙烯60份、NaCl 10～20份、開孔劑2份和發(fā)泡劑20份，發(fā)泡時(shí)間為15min，發(fā)泡溫度為175℃，共有5個(gè)樣品.大多數(shù)多孔材料都具備吸聲能力，一般把平均吸聲系數(shù)大于0.20的材料稱為吸聲材料，平均吸聲系數(shù)大于0.56的材料稱為高效吸聲材料[13].本研究將吸聲系數(shù)曲線上吸聲系數(shù)大于0.56的頻率稱之為高效吸聲頻率，其范圍為高效吸聲頻率寬度，單位為Hz，用來研究復(fù)合材料的高效吸聲性能.

圖3是硅藻土和NaCl質(zhì)量份數(shù)對(duì)復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響曲線.由圖3(a)可見(此時(shí)NaCl質(zhì)量份數(shù)固定為15份)，當(dāng)硅藻土質(zhì)量份數(shù)為20份時(shí)，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)隨著聲音頻率f的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，復(fù)合材料吸聲系數(shù)的最大值為0.72，其吸聲峰位于1000Hz左右，平均吸聲系數(shù)為0.45；當(dāng)硅藻土質(zhì)量份數(shù)增至30份時(shí)，在2000Hz處其吸聲系數(shù)達(dá)到最大值0.85，平均吸聲系數(shù)為0.52，且高效吸聲頻率寬度超過了2000Hz，說明在這種配比下，硅藻土與聚丙烯的復(fù)合能增加硅藻土的開孔率，保證硅藻土的原孔隙與聚丙烯孔隙之間的連通，增加孔隙通道長(zhǎng)度，使孔隙多樣化，從而對(duì)復(fù)合材料的吸聲有利.當(dāng)硅藻土質(zhì)量份數(shù)增至40份時(shí)，復(fù)合材料的吸聲性能有所下降，原因是此時(shí)復(fù)合材料的孔隙率有所降低，并且發(fā)泡不完全，甚至出現(xiàn)硅藻土的孔隙被聚丙烯填充的現(xiàn)象，因而使其平均吸聲系數(shù)降為0.46.上述分析結(jié)果與圖1觀察結(jié)果一致.由圖3(b)可見(此時(shí)硅藻土質(zhì)量份數(shù)固定為30份)，不同NaCl質(zhì)量份數(shù)的復(fù)合材料吸聲系數(shù)整體變化規(guī)律是隨著聲音頻率f的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)NaCl質(zhì)量份數(shù)從10份增至15份時(shí)，復(fù)合材料的吸聲性能提高明顯，其吸聲系數(shù)最大值達(dá)到0.83，平均吸聲系數(shù)也從0.38增加到0.50.原因?yàn)樵趶?fù)合材料壓模成型過程中，NaCl為立方晶體結(jié)構(gòu)，在多孔復(fù)合材料發(fā)泡過程中自身的晶體結(jié)構(gòu)占據(jù)著中間泡孔的位置，而在后期合成過程中，NaCl溶解并溢出，產(chǎn)生孔隙，進(jìn)而提高了高效吸聲頻率寬度，使其吸聲系數(shù)得以提高[14].當(dāng)NaCl質(zhì)量份數(shù)增至20份時(shí)，不但會(huì)影響復(fù)合材料內(nèi)部的結(jié)合力，而且還會(huì)影響發(fā)泡的進(jìn)行和孔隙的分布，降低復(fù)合材料的吸聲性能.

復(fù)合材料的吸聲機(jī)理應(yīng)為薄板振動(dòng)和多孔吸聲兩者的結(jié)合，在聲波激勵(lì)下薄板產(chǎn)生振動(dòng)變形，以此來達(dá)到消耗聲能的效果；復(fù)合材料內(nèi)部所形成的孔隙并不相同，在聲波作用下，孔徑中的空氣柱就像活塞一樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，孔徑突變處振動(dòng)的空氣由于摩擦而受到阻滯，使部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能[15]，主要對(duì)中低頻聲波起到一定的吸聲作用；此外，聲波通過復(fù)合材料的大量微小孔道時(shí)極有可能發(fā)生衍射，孔道中的空氣與孔隙孔壁產(chǎn)生充分的摩擦，損耗大量聲能，從而使聲波衰減，主要對(duì)中高頻聲波起到一定的吸聲作用.

圖3 硅藻土和NaCl質(zhì)量份數(shù)對(duì)復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響曲線Fig.3 Influence of diatomite portion and NaCl portion on the sound absorption coefficient of the composite materials

3 結(jié)論

以硅藻土、可溶性NaCl、聚丙烯、發(fā)泡劑、開孔劑為原料，成功制備出性能優(yōu)異的硅藻土/聚丙烯復(fù)合吸聲建筑材料.合成條件和原料配比影響著復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和吸聲性能，復(fù)合材料組合了薄板振動(dòng)和多孔吸聲的吸聲機(jī)制.在最佳配比(硅藻土30份、聚丙烯60份、NaCl 15份、開孔劑2份和發(fā)泡劑20份)下，復(fù)合材料的最大吸聲系數(shù)為0.85，其高效吸聲頻率寬度超過2000Hz.該復(fù)合材料具有較好的吸聲性能，將其應(yīng)用于新型環(huán)保室內(nèi)裝飾材料，會(huì)減少噪音污染對(duì)人們的傷害.