基于低频噪声防护的高阻尼硅橡胶改性ABS隔音材料的制备

刘 辉，孙梅荣，张国英，王 瑛，张 永，谢连科，臧玉魏，马新刚，巩泉泉，窦丹丹

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东省济南市 250002；2. 山东兆圭高分子材料科技有限公司，山东省济南市 250013）

基于低频噪声防护的高阻尼硅橡胶改性ABS隔音材料的制备

刘 辉1，孙梅荣2，张国英1，王 瑛2，张 永1，谢连科1，臧玉魏1，马新刚1，巩泉泉1，窦丹丹1

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东省济南市 250002；2. 山东兆圭高分子材料科技有限公司，山东省济南市 250013）

以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）为基体，高阻尼硅橡胶为填料，制备了不同配方的高阻尼硅橡胶改性ABS隔音材料，采用电子万能试验机、扫描电子显微镜等研究了材料的力学性能、微观形貌及隔音效果。结果表明：随着高阻尼硅橡胶含量的增加，改性ABS隔音材料的耐热性能和隔音性能逐渐增强，力学性能却逐渐下降。综合考虑材料的隔音效果与力学性能得出，高阻尼硅橡胶质量分数为10%～15%时，改性ABS隔音材料最适用于低频噪声的防护。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物 硅橡胶 隔音材料 低频噪声 力学性能 热性能

噪声污染影响人的心理和生理健康，已成为公认的环境问题之一。噪声对人的危害，不仅与声压级有关，也与频率特性密切相关。与高频噪声相比，低频噪声的危害长期被低估［1］。低频噪声是指频率在20～500 Hz的噪音，具有穿透能力强，传输距离远的特点。低频噪声主要来自电梯、变压器、高楼中的水泵、中央空调（包括冷却塔）发出的噪声及交通噪声等，其中，电厂、输变电站是低频噪声污染的重点区域。低频噪声可导致注意力难以集中，思维能力下降，对听力及心血管系统造成损伤，影响内分泌调节［2］。研究表明，长时间暴露在低频噪声环境中，误操作率及事故率明显升高［3］。因此，如何做好噪声控制，尤其是低频噪声防护是近年来学术研究的热点和难点［3-6］。

目前，控制噪声的基本方式有隔声、吸声、阻尼和隔振［7-8］。传统隔声工程一般采用密度高、厚度大的材料以提高隔声效果，但其成本高、施工困难。聚合物具有种类多、质量轻、易加工等特点，但其密度较小，隔音效果不佳［9-11］。为充分发挥聚合物的优势，增强其隔声效果，近年来开发了以聚合物为基体的复合隔音材料，该类材料采用多相复合材料体系，在材料内部形成密度不同的多界面结构［12-13］。它既具有高效的隔声、吸声性能，又具有质量轻、加工性能好、耐腐蚀等诸多优点；但与大多数高分子材料类似，采用多相复合技术制备的隔声材料的隔声频段依然集中在中高频区（500～ 5 000 Hz），对低频噪音的阻隔效果不佳［14-15］。

从声音传播机理分析，如果材料的固有振动频率与声波震动频率相近，则声音的传递效果好、隔音效果差［16-17］。因此，要提高材料隔音效果，除提高材料对声音的反射外，还必须提高材料在使用温度范围内的损耗因子，增加对振动能量的消耗［18-20］。因此，选择高损耗因子的材料用于防护用品是解决低频噪音阻隔的关键。本研究以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）作主体材料，选用在室温条件下对低频噪声有良好耗散作用的高阻尼硅橡胶为改性材料，制备了高阻尼硅橡胶改性ABS隔音材料，并研究了其结构与性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

ABS，PA-757，市售；过氧化苯甲酰（BPO），国药集团化学试剂有限公司生产；高阻尼硅橡胶（本研究采用甲基苯基硅橡胶），山东大学自制；SiO2微粉，粒径200～300 μm，梧州市颖丰矿业有限责任公司生产。

1.2 主要仪器与设备

XK-160型双辊开炼机，青岛光越橡胶机械制造有限公司生产；CTE-20型同向双螺杆配混挤出机，科倍隆科亚（南京）机械有限公司生产；UTM4203型电子万能试验机，深圳三思纵横科技股份有限公司生产；XJJ-50型简支梁冲击试验机，承德市金建检测仪器有限公司生产；XHR-150型塑料洛氏硬度计，上海材料试验机厂生产；LABSYS EVO型同步热分析仪，法国赛特拉姆仪器公司生产；SW422型阻抗管，北京声望声电技术有限公司生产。

1.3 试样制备

高阻尼硅橡胶改性ABS母料的制备：在开炼机中加入100 g高阻尼硅橡胶，混炼2～3 min，再加入2 g的BPO，继续混炼6 min，薄通3次，下片，备用。将开炼机温度设定为前辊165 ℃，后辊165℃，将干燥后的100 g ABS粒料加入两辊间，塑化包辊；将混炼好的高阻尼硅橡胶和BPO混合物，分成小块，逐步加入到ABS熔体中，继续混炼5 min，下片，冷却，粉碎，得到高阻尼硅橡胶质量分数为50%的ABS母粒。

改性ABS隔音材料的制备：将100 g高阻尼硅橡胶改性ABS母料分别与2 400.0，900.0，400.0，233.3，150.0 g的ABS混合均匀，熔融挤出，造粒，干燥，得到高阻尼硅橡胶质量分数分别为2%，5%，10%，15%，20%的隔音材料，制成测试样条。

1.4 测试与表征

力学性能按GB/T 1040.2—2006测试；弯曲性能按GB/T 9341—2008测试，洛氏硬度按GB/T 3398.2—2008 测试。

差示扫描量热法（DSC）分析用法国赛特拉姆仪器公司生产的LABSYS EVO型同步热分析仪测试，温度30～800 ℃，升温速率为10 ℃/min。

扫描电子显微镜（SEM）观察采用日本Jeol电子公司生产的JSM-6610LV型扫描电子显微镜，试样断面喷金处理。

隔声系数采用北京声望声电技术有限公司生产的SW422型阻抗管，用传递函数的方法测试试样的法向隔声特性，试样为直径10 cm，厚3 mm的圆形样片，测试频率为63～1 600 Hz，采用VA-lab4-IMP测试软件处理数据。

2 结果与讨论

2.1 阻尼特性

为探讨高阻尼硅橡胶的损耗因子与温度的关系，选用125 Hz作为低频噪音的特征频率。从图1可以看出：在0～35 ℃时，高阻尼硅橡胶的损耗因子大于0.28，远高于普通材料的损耗因子（如二甲基硅橡胶的损耗因子是0.15，天然橡胶的损耗因子是0.20）。另外，与其他橡胶相比，高阻尼硅橡胶中苯基含量高，与ABS有一定相容性，有利于改性材料中橡胶相的分布；硅橡胶还有良好的人体相容性，因此，可以用于制备与人体接触的隔音制品。

2.2 力学性能

图1 高阻尼硅橡胶损耗因子与温度的关系曲线Fig.1 Relationship between decay factor of high dampingsilicone rubber and temperature

图2 纯ABS及改性ABS的力学性能Fig.2 Mechanical properties of ABS resin with different contents of high damping silicone rubber

从图2可以看出：随着高阻尼硅橡胶用量的增加，改性ABS的弯曲强度、拉伸强度、洛氏硬度逐渐降低。简支梁缺口冲击强度呈现先降低再增加，然后再降低的趋势。这是因为高阻尼硅橡胶与ABS的相容性较差，界面部位的相互作用力较弱，硅橡胶在复合体系中存在相分离现象，因此受到较大外力后易变形，力学性能逐渐下降；另一方面，高阻尼硅橡胶在复合材料中是橡胶相，在受到应力后，橡胶相发生变形，吸收能量，同时诱导ABS变形，将震动的机械能转化为内摩擦，最终以热的形式释放到周围环境［7,15］。改性ABS的力学性能虽有一定程度下降，但仍满足隔音材料使用要求。

2.3 热性能

高阻尼硅橡胶的主链是Si—O—Si，化学键能高，因此具有优异的耐热性、耐候性；Si—O—Si分子主链成螺旋状，赋予了高阻尼硅橡胶良好的压缩回弹性；侧基是甲基和苯基两种基团，沿主链交替排布，赋予了高阻尼硅橡胶耐电压、高阻尼的特性。

从图3可以看出：纯ABS在450 ℃时的质量保持率接近于0。这是由于纯ABS在高温条件下逐渐分解为小分子造成的［21］。温度超过400 ℃后，改性ABS的质量保持率随硅橡胶含量的增加而逐步增加。这是因为高阻尼硅橡胶具有较好的耐高温性能，加入到ABS中后，一方面自身在高温条件下可以分解为SiO2，另一方面对ABS分解产生一定的抑制作用，导致复合材料的质量保持率增加。纯ABS在加热过程中有微小的上升趋势，是由于ABS中含有不饱和键，其α氢活泼，在受热过程中与空气中的氧发生反应而导致质量开始有上升趋势［22］。

图3 纯ABS树脂及改性ABS树脂的热重分析曲线Fig.3 Thermogravimetric curve of ABS with different contentof high damping silicone rubber

从图4可以看出：所有试样在100 ℃附近出现一个明显的热转变，是ABS中硬段聚苯乙烯的融化温度；高阻尼硅橡胶含量不同，放热峰的大小有所差异，原因在于制备过程中混炼不均匀，阻尼硅橡胶在ABS中的分布不均匀，试样中阻尼硅橡胶含量存在差异所致。此外，在400 ℃附近均出现的比较明显的吸热峰是ABS分解吸热导致的［20］。

2.4 SEM观察

图4 纯ABS及改性ABS的DSC曲线Fig.4 DSC curve of ABS with different content of high damping silicone rubber

从图5看出：纯ABS树脂是典型的脆性断裂；随着高阻尼硅橡胶质量分数从2%增大到10%，复合材料中球状橡胶颗粒数目逐渐增多，尺寸也逐渐增大，橡胶粒子与树脂基体之间的界面较为清晰，表明高阻尼硅橡胶分散在ABS中，但与ABS的相容性不好；当高阻尼硅橡胶质量分数增到20%以上时，出现界面清晰的断裂区域。造成这种现象的原因是：虽然通过加入过氧化物引发剂对材料接枝改性［23］，但由于高阻尼硅橡胶与ABS的溶度参数［24］相差太大，两相分离，形成缺陷。同时阻尼硅橡胶的强度比ABS低，随着高阻尼橡胶含量提高，在拉伸过程中橡胶相断裂，形成不规则的断裂区域［23］。高阻尼硅橡胶改性ABS的SEM照片分析结果与材料力学性能所表现的变化一致。

图5 纯ABS及改性ABS的SEM照片Fig.5 SEM of ABS with different content of high damping silicone rubber

2.5 隔音性能评价

从图6看出：ABS在频率为150～300 Hz时，隔声量较低；加入高阻尼硅橡胶后，材料的低频隔声量大幅提高；隔声量在频率小于100 Hz时减少，共振频率向高频方向移动；纯ABS的共振中心频率在250 Hz附近，而改性ABS的共振中心频率为700 Hz，低频隔声效果明显。这主要与隔音材料内部微观结构有关，一方面，在实验条件下，高阻尼硅橡胶的链段运动能力与低频噪声振动频率相适应，声波在其中传播时，增大了内部损耗，消耗了噪声振动能；另一方面，橡胶相与ABS相的模量差别大，两相之间具有一定的结合力，形成微约束阻尼结构，声波在界面处传播行为发生变化的同时还经历了多次反射，提高了隔声效果［8,16］。随着高阻尼硅橡胶含量的增加，改性材料的降噪幅值增大。质量分数分别为15%和20%的高阻尼硅橡胶改性ABS在频率为600 Hz以下的隔音效果相近。因此，高阻尼硅橡胶的质量分数最好控制在10%～15%。

3 结论

a）ABS中添加高阻尼硅橡胶后，可有效提高其对低频噪声的阻隔性能。

b）随着高阻尼硅橡胶用量的增加，改性ABS的弯曲强度、拉伸强度、洛氏硬度等下降，耐高温性能和隔音性能增强。

c）高阻尼硅橡胶的用量较大时，虽然对低频噪声的隔音效果增加，但易导致改性ABS树脂出现严重的相分离。因此，高阻尼硅橡胶的质量分数最佳为10%～15%。

图6 不同高阻尼硅橡胶含量对ABS隔音效果的影响Fig.6 Effect of different content of high damping silicone rubber on ABS’s sound insulation

d）高阻尼硅橡胶改性ABS树脂，可用于不同噪声源的低频噪声防护用品的制备。

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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。

刘辉，男，1985年生，硕士，工程师，2010年毕业于清华大学环境科学与工程专业，主要研究方向为电网环保与职业卫生技术监督服务。E-mail：liuhuijeff@163. com；联系电话：（0531）67982964。