有機(jī)蒙脫土/丁腈橡膠-聚氯乙烯隔聲復(fù)合材料的制備及性能

胡 勝，蔡 俊，傅 強(qiáng)

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，長沙 430007；2.上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

隨著社會進(jìn)步和人民生活水平的提高，對聲環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，由噪聲引發(fā)的糾紛投訴問題日益突出[1-3].傳統(tǒng)的隔聲屏障、隔聲罩等裝置為達(dá)到良好的隔聲效果，多采用笨重的金屬和無機(jī)材料，這個給降噪裝置的安裝和日常運(yùn)維帶來了許多不便[4-6]，因此開發(fā)輕質(zhì)高效的隔聲材料和結(jié)構(gòu)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[7-11].許多研究者利用高分子材料與無機(jī)、金屬粉末等填料復(fù)合，從而制備出了新型高隔聲效果復(fù)合材料[12-14].

丁腈橡膠(NBR)/聚氯乙烯(PVC)復(fù)合材料兼具橡膠和塑料的優(yōu)點(diǎn)，有良好的彈性和可塑性，以及優(yōu)良的耐油性、耐候性等，用其制作隔聲材料具有良好的應(yīng)用前景[15].傅強(qiáng)等研究了添加片狀氧化石墨烯(GO)來提高NBR/PVC的阻尼性能，從而使得NBR/PVC的隔聲性能提高[16].但是由于GO的成本很高，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用.王毅等探討了有機(jī)蒙脫土對聚氯乙烯/丁腈橡膠納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響，研究結(jié)果表明OMMT可在復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)納米級分散，添加適量的OMMT可提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、耐溶劑性能和耐熱性能[17].本文為進(jìn)一步降低NBR/PVC復(fù)合隔聲材料的成本，通過填充片狀有機(jī)蒙脫土(OMMT)制備OMMT /NBR-PVC隔聲復(fù)合材料.探討了OMMT的含量對材料的斷面形貌、面密度、力學(xué)性能、阻尼性能和隔聲性能的影響，進(jìn)而對OMMT/NBR-PVC材料的隔聲機(jī)理進(jìn)行了分析.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣的制備

實(shí)驗(yàn)中采用的NBR-PVC基體質(zhì)量比為70∶30，通過添加不同劑量的OMMT作為改性填料，從而制備出OMMT/NBR-PVC復(fù)合隔聲材料，表1為實(shí)驗(yàn)樣品采用的配方.聚氯乙烯樹脂(PVC)聚合度為1 000±150，密度為1.4 g/cm3；丁腈橡膠(NBR)丙烯腈含量為33%，密度為1 g/cm3；有機(jī)蒙脫土(OMMT)：粒徑為100 nm～1 μm.樣品制備可分為硫化前、硫化、硫化后3個階段.

表1 OMMT/NBR-PVC的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

Table 1 Formulations of OMMT/NBR-PVC (wt%)

樣品NBR/PVCDOP硬脂酸OMMTCZS186.218.621.7201.721.72285.118.511.701.281.701.70384.038.401.682.521.681.68482.998.301.663.731.661.66581.978.201.644.921.641.64

硫化前：在將PVC、OMMT等放置在60 ℃的真空干燥箱中4 h后，按表1的配方分別稱取不同質(zhì)量的NBR、PVC、硬脂酸和DOP等原料，在溫度為160 ℃的開煉機(jī)中混煉2 min，其轉(zhuǎn)速為20 r/min.在加入無機(jī)改性劑(OMMT)后，繼續(xù)混煉5 min.待混煉膠自然冷卻后，將開煉機(jī)溫度調(diào)為60 ℃，然后加入促進(jìn)劑和升華硫，混煉5 min.

硫化：將加入硫化劑的混煉膠在室溫下放置24 h后，在溫度設(shè)為160 ℃的平板硫化機(jī)上采用10 MPa壓力壓制12 min后成型.

硫化后：將成型后的混煉膠在室溫下放置24 h后，根據(jù)測試需要裁成相應(yīng)尺寸.

1.2 試驗(yàn)性能表征

1.2.1 面密度

先用天平秤出試樣的質(zhì)量，按下式(1)計算出其面密度.

(1)

式中：ρ0為面密度， g/cm2；M為質(zhì)量， g；a為試樣寬度， cm；b為試樣長度， cm.

1.2.2 硬度

根據(jù)國標(biāo)GB/T 531-1992，采用HBS-3000型布氏硬度計測試邵氏硬度.

1.2.3 拉伸性能

用美國INSTRON公司生產(chǎn)的Instron4465型萬能試驗(yàn)機(jī)按照國標(biāo)GB/T 528-2009，測試?yán)鞆?qiáng)度和斷裂伸長率.

1.2.4 動態(tài)力學(xué)性能

用美國Perkin Elmer公司生產(chǎn)的DMA 8000型動態(tài)熱機(jī)械性能分析儀測試動態(tài)力學(xué)性能.樣品尺寸為15 mm(長) 、5 mm(寬) 、1 mm(厚).振動頻率采用10 Hz，升溫速率采用3 ℃/min.

1.2.5 試樣隔聲性能

根據(jù)傳統(tǒng)函數(shù)法，用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的阻抗管來測試樣品的吸隔聲量，裝置照片如圖1所示.測試隔聲量時，每個試樣測試結(jié)果取5次測試的平均值.

圖1 阻抗管裝置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 OMMT對NBR-PVC隔聲復(fù)合材料形貌的影響

圖2是不同含量OMMT隔聲復(fù)合材料樣品的SEM形貌.在各個樣品斷面均出現(xiàn)明顯的紋路，這可能是由于OMMT粒子極性官能團(tuán)的引入減弱了片層間相互作用，從而增強(qiáng)了OMMT與基體之間相互作用.當(dāng)OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3.73%時，粒子在基體均勻分散，試樣斷面的紋路隨OMMT的含量增大而逐漸增多，且平整有規(guī)律.當(dāng)OMMT含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為4.92%時，斷面紋路呈現(xiàn)無規(guī)律排布，且表面粗糙.這可能是由于OMMT含量過多，在基體中發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)致的.

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)OMMT隔聲材料的SEM圖片：(a) 1.28%, (b) 2.52%, (c) 3.73%, (d) 4.92%

Fig.2 SEM images after adding different amount of OMMT: (a) 1.28 wt%, (b) 2.52 wt %, (c) 3.73 wt%, (d) 4.92 wt%

2.2 OMMT對NBR-PVC隔聲復(fù)合材料力學(xué)性能影響

不同含量OMMT隔聲復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能見表2和圖3所示.由表2和圖3可知，材料面密度隨著OMTT含量增加而略有增加，但由于添加的OMMT含量很少，增加幅度不大，基本維持在0.43g/cm-2.OMTT的添加則可有效增強(qiáng)材料的靜態(tài)力學(xué)性能.隨粒子含量的增加，材料的彈性模量先增大后降低.當(dāng)OMMT添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.73%時，OMMT/NBR-PVC的彈性模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率達(dá)到最大值，分別為4.15 Pa、20.7 Pa、531%.OMMT作為一種優(yōu)良的改性填料，在NBR-PVC基體中能實(shí)現(xiàn)良好的分散性，并且OMMT表面的活性基團(tuán)能與基體中的極性基團(tuán)能形成共價鍵，從而顯著增強(qiáng)了材料的各項(xiàng)力學(xué)性能.而當(dāng)OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到4.92%時，OMMT/NBR-PVC的各項(xiàng)力學(xué)性能反而降低.這是由于添加過多的OMMT后，OMMT易出現(xiàn)局部團(tuán)聚現(xiàn)象，受到外力作用是易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致材料的各項(xiàng)力學(xué)性能降低.

表2 不同含量OMMT隔聲復(fù)合材料力學(xué)性能

Table 2 Mechanical properties after adding different amount of OMMT

樣品厚度/cm面密度/(g·cm-2)彈性模量/MPa拉伸強(qiáng)度/MPa斷裂伸長率/%10.50.4082.1515.341220.50.4122.8317.350730.50.4353.7619.551140.50.4534.1520.753150.50.4673.8619.2485

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)OMMT隔聲復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.3 Stress-strain curves of soundproof composite with different amount of OMMT

2.3 OMMT對NBR-PVC復(fù)合材料阻尼性能影響

不同含量OMMT復(fù)合材料的損耗因子見圖4所示.由圖4可知，在添加OMMT后，隔聲材料的阻尼損耗峰向低溫偏移且峰值下降.這是由兩方面原因?qū)е碌模阂环矫媸怯捎诟叻肿釉诩羟辛蜔岬淖饔孟虏迦隣MMT層間，增加了高分子鏈間的物理交聯(lián)點(diǎn)，使分子鏈間相對運(yùn)動和滑移難度變大；另一方面，由于OMMT表面的活性基團(tuán)與基體分子鏈間(NBR與PVC都為極性分子鏈)的相互作用，也會增加分子鏈之間作用力.隨OMMT含量增加阻尼損耗峰向高溫方向小幅偏移，即材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有所提高.隔聲材料的損耗因子峰值隨OMMT含量增加先增大后減小，當(dāng) OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.73%時，達(dá)到最大；當(dāng)OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.92%時，由于OMMT粒子小尺寸效應(yīng)，使得粒子間發(fā)生團(tuán)聚，這與SEM圖一致，使材料阻尼性能降低.

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)OMMT隔聲材料的損耗因子圖

Fig.4 Damping factor after adding different amount of OMMT

2.4 OMMT對NBR-PVC復(fù)合材料隔聲性能影響

圖5(a)為OMMT/NBR-PVC隔聲性能頻譜曲線.OMMT是一種插層結(jié)構(gòu)和具有良好阻隔性的改性填料， 添加OMMT能夠顯著提高機(jī)體的彈性模量和氣密性，如表2所示，可有效限制材料中大分子鏈的運(yùn)動，提高粘滯效應(yīng)，能減少聲能透射量，從而提高低頻隔聲量.當(dāng)OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.73%時低頻段的隔聲性能最佳.在中高頻段，材料的隔聲性能可能是由3方面因素綜合導(dǎo)致的.首先，隨OMMT含量增加材料的面密度逐漸變大，根據(jù)質(zhì)量作用定律，其隔聲量性能逐漸增加.但當(dāng)粒子含量為4.92%時，材料的隔聲性能反而降低，這可能與粒子在其內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重的團(tuán)聚有關(guān)；同時，由于OMMT和NBR-PVC基體聲阻抗存在較大差異，聲波在兩者界面會形成較大的反射和耗散，通過材料中眾多微界面的存在，從而提高隔聲性能.

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)OMMT隔聲復(fù)合材料的隔聲性能

Fig.5 Sound insulation property after adding different amount of OMMT: (a) spectrum graph; (b) sound insulation index histogram

圖5(b)為不同含量OMMT隔聲材料的隔聲指數(shù).由圖可知，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.28%、2.52%、3.73%、4.92%的OMMT后，提高到24 dB.當(dāng)OMMT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.73%時，隔聲指數(shù)最大，材料隔聲性能最佳.

3 結(jié) 論

綜上所述，OMMT的添加一定程度上提高了NBR-PVC復(fù)合材料的整體性能.當(dāng)OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.73%時，OMMT/NBR-PVC復(fù)合材料的性能綜合最佳，其隔聲指數(shù)達(dá)到32.6 dB.由于OMMT/NBR-PVC復(fù)合材料較傳統(tǒng)隔聲材料具有輕質(zhì)、易加工、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此其具有良好的市場應(yīng)用前景，這也為新型隔聲復(fù)合材料的研制提供了新思路.