橡胶消音壁板的配方和结构设计与性能测试

王树森、田斌、朱学东、于海剑、阎中超

（1 驻某军事代表室；2 中国船舶系统工程研究院；3 淄博火炬能源有限责任公司）

橡胶消音壁板的配方和结构设计与性能测试

王树森1、田斌2、朱学东3、于海剑3、阎中超3

（1 驻某军事代表室；2 中国船舶系统工程研究院；3 淄博火炬能源有限责任公司）

本研究设计了一种室内用复合声学腔体结构的多功能型微孔橡胶装饰壁板，该板材不仅具备良好的物理吸附功能和离子交换性能及阻燃、隔热保温性能，还有着优良的宽频吸隔声性能和阻尼减振特性。

前言：

噪声污染、空气污染和水污染是当今世界公认的三大环境污染源。“十一五”期间，国家在环境资源保护方面明确了要加强噪声治理行业的建设。从经济发展趋势看，随着物质生活的发达，人民对居住环境的要求也会越来越高，除美观、环保、阻燃、耐久性等常规要求外，对材料的吸声、隔声、阻尼隔振等功能特性也提出了新的需求。传统以及目前市场上新兴的消声材料虽然种类繁多，但多数材料在多功能性方面尚有欠缺；少数新兴材料虽然具备一定的功能特性，限于产品结构及材料特性的局限，其综合应用性能仍显不足。目前城市居民在住宅需求上已经从追求简单生存空间转向追求高品质生活环境上。在北京、上海、深圳、天津等噪音污染较重的城市，居民对高效隔声门窗、隔声板产品需求十分强烈。当前我国新型建筑体系以及高层建筑要求自重轻，隔墙结构趋向于轻薄，轻质隔墙隔声性能较差，单层墙的隔声量无法满足住宅分户墙的最低隔声要求。为提高隔音效果，国内外建筑声学工作者已进行了大量的研究工作，目前的研究大多是通过对多层组合板材料的密度、厚度、孔隙率、阻尼刚度等有关参数在低频范围内的性能研究。然而，传统的隔声技术一直难以有效地提高宽频带范围的噪音隔声效果。鉴于此，本文在多孔隙率材料中增加具有吸隔声功能的周期梯度分布的圆柱型谐振声学腔体结构，并在腔体直径转变区域引入非谐振渐变吸声结构，制成橡胶消音壁板。该壁板综合了硅藻泥装饰壁材、吸隔音板等材料的优点，除具备较好的物理吸附功能和离子交换性能特性、阻燃、隔热保温等性能外，还具有较高的宽频吸隔声性能和阻尼减振特性。可应用于建筑居室、噪声车间、轻轨道路隔音、船舶舱室等领域，其使用寿命长，应用范围广。

1 产品配方和结构设计

1.1 配方设计及材料功能特性

橡胶的特性阻抗很小，如果橡胶的特性阻抗平均值为0.5，则软钢的特性阻抗是其788倍，木材的特性阻抗是其70倍，水的特性阻抗是其29倍。此外，同一声速的金属与木材相比，由于后者的密度小，所以特性阻抗也小。因此密度对于控制特性阻抗大小具有重要作用。通常，当相邻两种介质的特性阻抗相近或相等时，我们称为阻抗匹配，反之称为阻抗失配。只有在两种介质的特性阻抗相近时，声波在界面才不发生反射。橡胶的密度虽然比空气大，但与其它材料相比，仍属于密度较低的一类材料；而且由于橡胶具有较高的填充性能（与塑料相比），可以用填料和其它组分调节密度，以进一步降低密度，使之与空气近似匹配，这也是橡胶或塑料等高分子材料常用作吸声材料的原因。各物质特性阻抗见表1。

表1 各种物质的特性阻抗

高分子材料，特别是以橡胶态存在的高分子材料用作吸声材料具有其它材料所没有的优点：通过选取不同的胶料以及配合剂的种类和比例，能够有效地控制其声学特性和其它性能；橡胶的大分子链运动形式繁多，松弛时间谱很宽，能够吸收宽频带的声波。因此，橡胶在减振降噪领域中得到广泛应用。通过在橡胶材料中添加高孔隙率的填料或其它发泡剂（开孔），使材料具有一定含量的微孔腔，可大大增加材料的吸声性能。本设计在材料配合方面的功能原理是利用硅藻土高孔隙率的特性实现材料保温隔热、吸光、阻燃、吸声降噪以及物理吸附等功能。橡胶材料选择非污染型自补强性橡胶，如NR和CR122型等，本试验采用山西大同橡胶集团生产的非污染性CR1221用于基体材料。功能型填料采用多孔隙率材料-硅藻土，孔隙率≥90%，密度0.4～0.5g/cm3。硅烷偶联剂为KH-550。多功能橡胶壁板材料配方见表2。

表2 橡胶壁板材料配方

由于材料配合采用高强度的氯丁橡胶填充硅藻土（质量份每100份橡胶填充400份硅藻土），因此材料综合特性兼备了非污染型自补强氯丁橡特有的优异理化性能和硅藻土的功能特性，属于开孔的微孔橡胶材料，该材料具有以下优点：

① 物理机械强度高，具有较高的拉伸强度和抗冲击强度。由于采用氯丁橡胶作为基体，氯丁橡胶分子绝大多数由线形结构的 α-聚集体组成，分子结构规整，分子链上含有Cl-极性基团，分子间作用力大，在外力作用下，易拉伸结晶，故具有高拉伸强度和抗刺扎性能；加上橡胶为弹性体，其抗冲击性能优异。

② 优良的耐老化性能 氯丁橡胶分子链的双键上连接有氯原子，使得双键和氯原子都变得不活泼，因此其硫化橡胶的稳定性良好，不易受大气中的热、氧、光的作用，具有优良的耐老化（耐侯、耐臭氧以及耐热等）性能。

③ 优异的阻燃性 氯丁橡胶的耐燃性是通用胶中最好的，纯胶具有不自燃的特点，接触火焰可以燃烧，但隔绝火焰即自行熄灭；填充 400份硅藻土后阻燃性能进一步提高，接触火焰仍不燃烧。

④ 优良的耐油、耐溶剂性能 氯丁橡胶的耐油性仅次于丁腈橡胶而优于其它通用橡胶。这是因为氯丁橡胶分子含有极性氯原子，增加了分子的极性。根据相似相溶的原理，一般含碳化合物（即指油类）没有极性或极性很小，所以很难使氯丁橡胶溶胀或溶解。

⑤ 氯丁橡胶的耐化学腐蚀性也很好，除强氧化性酸外，其它酸、碱对其几乎没有影响。

⑥ 电性能 氯丁橡胶体积电阻系数为1010～1012Ω·cm，击穿电压为 20MV/m，因此在600V以下的电压使用具有良好的绝缘性能。

⑦ 耐水性能和耐温度变化性能优异。可在潮湿环境下（如浴室）以及-30℃～90℃环境下正常使用。

1.2 产品结构设计及其功能作用

1.2.1 结构设计

声波是一种机械波，声波的传播必须依靠介质，通过介质中质点的振动传播能量。在弹性介质中，声振动传播过程类似于多相质点－弹簧振子互相耦合而形成的系统，一个振动的运动会影响其他振子跟着运动起来。根据质点的振动方向和声波传播方向之间的关系，可以把声波分为纵波和横波（又称剪切波）两类。在介质中声波振动的传播方向与质点的振动方向一致，这种声振动过程就是纵声波，见 图 1（a）。在介质中声波振动的传播方向与质点的振动方向不一致时，这种声振动过程就是横波，见 图 1（b）。

图1（a）

图1（b）

声波传播，实际是声压的传播，依靠振动质点振动来传递能量。声波的能量不同，质点振动在传播过程中会引起高分子中不同尺寸运动单元的运动。橡胶分子的多层次结构及柔性分子链的运动特性，使其具有一定的粘弹性。当纵声波传入弹性体中时，高分子弹性体材料在振动作用下会产生剪切形变，导致质点的振动方向与声波的传播方向产生一定的偏离。因此会有切变弹力产生，在其中传播的波除了纵波外，还有部分横波。用吸声方法来降低噪声，在噪声控制工程中极为普遍。当声波入射到物体的表面时，有一部分声波会反射回去，而另一部分声波会进入物体，进而被物体所吸收而转化成热能。声波被物体吸收的现象称为吸声，吸声材料是一种能够吸收声波、有效降低噪声的功能材料。基体材料改性实现高孔率和声学结构设计是提高材料吸声性能的两种主要技术途径。由于橡胶具有粘弹性，当声波或振动波对其施加周期性外力时，产生周期性的变形，橡胶分子链在松弛过程引起应变落后于应力的滞后效应，产生能量损失。在橡胶中填充高孔隙率的硅藻土，硫化后材料内部可形成均匀的微孔空腔，在声波或振动波作用下发生形变时，由于材料的微孔内摩擦作用和材料的弹性松弛作用，把传入的能量转变为热能损耗。硅藻土装饰壁板、吸隔音板的主要功能特性是通过均匀的微孔实现物理吸附和能量内摩擦作用的；但是，对于均匀微孔材料而言，阻抗匹配与增加损耗是互相矛盾的，所以用均匀的微孔材料很难达到良好的吸、隔声性能，必须复合一定的谐振声腔结构。本研究根据不同频段的噪声声强度的频率特点，在兼顾微孔材料特有性能的同时，在产品结构设计上做出突变型谐振结构，即在微孔橡胶内部设有内径突变的圆柱空腔，产品结构示意图见图2。

图2 橡胶消音壁板结构示意图

1.2.2 主要功能作用

产品表层既为防护层也称为装饰层，由厚度为1mm的微孔橡胶组成，可根据需要制备成任意颜色和图案，同时具备声透射功能和防护作用。功能层为复合声学结构的高孔率微孔橡胶，是实现橡胶消音壁板吸声性能的主体构件。

（a） 微孔的吸声作用

由于高分子吸声材料的体积压缩模量很大，而剪切模量很小，在实用中声压作用在大面积的高分子吸声材料表面，相当于压缩。所以制备常压下的吸声材料，常常制成气泡性材料，以增大材料的可压缩性。当声波入射到材料时，引起材料中微孔的空气运动，由于空气的黏滞性和孔壁与空气间的热传导作用，使声能衰减。当声波入射时，气泡可将其周围介质的体积压缩形变转变为剪切形变，增加材料的内耗。特别是可以设计适当的孔型使之在一定频段出现明显的共振吸收峰。在高分子吸声材料中混入气泡性填料时，材料的声速显著下降，衰减常数明显增加。在一定的范围内，材料的声速随填料含量的增加而降低，衰减常数随填料含量的增加而增加。若采用剪切模量小、剪切损耗大的材料作基料，则添加气泡性填料后，吸声效果更加显著。

（b）声学空腔的结构与吸声作用

在声学腔结构中，单一的圆柱型空腔存在共振吸声频段较窄的缺点，在其尾部引入阻抗渐变空腔并复合内径突变的圆柱空腔，可实现纵波向横波的转化，在空腔壁产生耗散效率较高的横波，因而材料吸声性能显著增强。当声波通过表层进入消音壁板内部或从功能层射入时，以纵波为主，纵波在橡胶壁板声腔界面传播过程中，不断地转变为剪切波。这样在壁板声腔内传播的弹性波中纵波的成份越来越少，剪切波成份越来越多，同时材料具备高孔隙率和较低孔径，因而具有较高的剪切损耗因子和适当的模量值，能够大量消耗进入消音壁板内的声波能量，达到良好吸声效果。

2 成型工艺

2.1 硫化成型

采用800T平板压力机进行硫化成型，并使用专用模具辅助模温机进行加热硫化。根据加料量在 40℃的加热工作台上对功能层胶片进行预热10min，在模具型腔内依次放入表层胶片，功能层胶片；合模硫化。表层和功能层胶片在装模前均要按规格要求制成一定的形状，各层胶片厚度为也要控制精确。

硫化成型参数：温度 155℃±2℃；硫压力20MPa±1 MPa；时间：20min。

2.2 产品装配

将成型后的产品表面处理后粘接在安装板上，安装板采用微孔泡沫铝板，其厚度、宽度和长度根据施工现场实际尺寸加工。

3 性能检测

3.1 物理性能检测

依据相关标准，对橡胶消音壁板材料的拉伸强度、横向伸长率、耐热空气老化、耐臭氧老化、耐油介质等理化性能进行检测。壁板的横向拉伸性能检测结果见表4。

表3 各层拉伸性能的检测结果

橡胶消音壁板材料经过热空气老化试验、耐湿热老化试验、人工气候老化试验、耐油介质试验等耐环境性能试验后强度和伸长率变化结果见表5。

表4 耐环境试验后外观、强度和伸长率检测结果

3.2 材料功能特性测试

橡胶消音壁板的主要功能特性是具有优良的吸声性能，复合声腔结构的试样的声学性能是表征其功能特性的关键测试项目，对该项性能进行了测试。

人体内器官固有频率基本上在低频和超低频约在(5～15)Hz范围内，很容易与低频声音产生共振，正常听觉范围是（20～20000）Hz，频率低于500Hz的声音为低频声音。根据上述对人体有影响的声波频率范围，为验证橡胶消音壁板的声学性能是否具备良好的吸声降噪效果，试验制备了复合消音壁板声学结构的纯氯丁橡胶（含 N330碳黑40份）声学试样（代号为：CR结构）、使用橡胶消音壁板功能层配方制备了未带声学腔体结构的声学试样（代号为S-功能层）、橡胶消音壁板结构和配方制备的声学试样（代号为XJbc结构）。三类声学试样各3个。试样规格均为Φ120×30mm。按GB/T 18696.2-2002，测试样品的吸声曲线和不同频率范围的吸声系数，检测结果如下。

表5 声学试样吸声系数测试计算结果

4 结论

提高橡胶消音材料吸声性能是控制噪声的关键技术手段。本文在对微孔橡胶材料和谐振吸声声腔结构的消音作用机理进行研究的基础上，经对材料配方、声学结构和成型工艺进行系统研究后，研制了一种室内用带有声学腔体结构的橡胶消音壁板。通过板材的物理机械性能、耐环境性能检测以及不同频率范围内声学性能的对比测试，形成结论如下。

耐环境试验测试结果表明，橡胶消声壁板材料经过耐热空气老化、表层耐湿热老化、表层耐油介质、表层人工气候老化等一系列试验考核，其物理机械性能基本保持不变，说明板材具有良好的耐环境适应性，能够满足工程实用要求。

从声学性能测试结果可以看出，橡胶消音壁板的声学结构会对吸声性能产生影响。当材料确定以后，在板材中引入设计的声学结构，可形成较大的阻抗梯度，使声波产生较强的共振吸收，可在全频范围内提高板材的吸声性能。