丙烯酸树脂基新型高分子隔声材料的制备与研究

刘飞，王超，李博弘，刘立佳*

（1.哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨150000；2.黑龙江省科学院石油化学研究院，黑龙江哈尔滨150040）

丙烯酸树脂基新型高分子隔声材料的制备与研究

刘飞1，王超2，李博弘2，刘立佳1*

（1.哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨150000；2.黑龙江省科学院石油化学研究院，黑龙江哈尔滨150040）

以自制丙烯酸树脂为基体，制备了一种新型的隔音降噪材料。研究了基体改性、添加增韧剂以及增韧剂用量等因素对复合材料隔音性能的影响，并借助四麦克风阻抗管法对丙烯酸树脂基复合材料的隔音性能进行了研究，同时通过扫描电镜观察了材料的表面形貌。通过研究发现：基体改性后材料在50～280Hz及900～1600Hz的频率范围内隔音性能增加；增韧剂种类对材料的隔音性能影响不大，但材料的隔音性能随增韧剂用量的增加而降低，因此在增韧剂的用量上要选择合适的含量，在达到增韧的同时能满足材料的隔音性能。

隔音；降噪材料；丙烯酸树脂；改性；增韧剂

引言

声音作为一种信息，对传递人们的思维和情感起着非常重要的作用。但是有些声音影响人们的身心健康，干扰人们的学习、工作和休息，是人们在正常的生活中不需要的，如各种车辆通行时嘈杂的声音，压缩机的进、排气声音等。从声学上讲，人们不需要的声音被称为噪声[1]。从物理学上看，无规律、不协调的声音，即频率和声强都不同的声波杂乱组合被称为噪声[2]。高分子材料是高分子聚合物和各类添加剂的复合体系，由于其特有的黏弹性使其具备一定的阻尼性能，其阻尼性能主要来源于聚合物的内耗。将高分子材料作为隔音材料，一方面可以利用高分子材料的阻尼特性，消耗掉一部分的声波，提高材料的隔声量。另一方面，高分子材料与传统的金属材料相比，轻量、超薄、柔软，更有利于加工和使用。

噪声污染不仅影响人们的生活质量，也影响设备的寿命，是环境污染之一。为了有效隔断噪声，传统的隔声材料一般都十分笨重，对可加工性、使用范围等都有很大的影响。因此人们迫切需要轻量、超薄、加工性好的隔声材料，以满足不同场合的需要。但由于轻量、超薄材料的低阻尼量及低自身重量，使其很难有良好的隔声效果。因此，开发一种轻量、超薄、柔软的隔声材料，成为各国学者共同关心的课题[3～7]。本文选用丙烯酸树脂基复合材料为隔音材料基材，考察了EVA、SBS、PVC改性、增韧剂用量、增韧剂种类对材料性能的影响，制备了一种隔音性能好的隔声材料。

1 实验部分

1.1 主要原料

丙烯酸树脂，实验室自制；乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA，又称EVA树脂），工业级，山东济南鑫冉化工有限公司；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS），工业级，江苏太仓凯尔达塑胶原料有限公司；聚氯乙烯（PVC），工业级，深圳市荣业塑胶有限公司;聚醚：工业级，广州富飞化工有限公司；邻苯二甲酸二丁酯（DBP）：工业级，济南晟宸化工有限公司；聚异丁烯（PIB）：工业级，广州纳易化工有限公司；胶黏剂：实验室自制。

1.2 实验仪器

（1）四麦克风驻波管：用于测定材料的隔音性能曲线；频率：50～1600Hz；测试温度：室温。

（2）扫描电镜（SEM）：用于表征材料的表面形貌；倍数：4500。

（3）其他仪器：鼓风烘箱、平板硫化机、密炼机。

1.3 隔声材料及其原理

采用隔声材料或者是隔声结构减弱噪声的传递，使嘈杂的环境与安静环境分隔开来，这种方法称之为隔声[8]。

图1 隔声原理示意图Fig.1 The schematic diagram of sound insulating mechanism

如图1所示为单层隔声材料隔声原理图，当入射声波到达物体表面时，入射声能（Ei）的一部分将被反射为Er，一部分Ea扩散到材料内部并被吸收，声能（Et）的其余部分透过材料。

材料的隔音性能通常通过声学物理项-TL值，即声音传输损耗系数（dB）来评估。衡量材料隔声性能的大小通常以传输损耗系数来表示，以dB为单位的传输损耗（TL）可以从等式1-1、1-2计算得到：

TL—隔声量，dB;

τ—隔音系数；

Ei—入射生能;

Et—透射声能。

对于密实均匀的单层板材的隔声性能通常要满足质量定律，且与材料面密度以及声波的频率有关。

通常，可以根据下述1-3的经验公式对单层隔音板材的隔声性能进行估算。

从经验公式中可以看出，单层均质材料的隔声性能随着材料面密度的增加而增加，而当达到一定的隔声量后，材料的面密度对隔声性能的影响程度减弱。在实际应用中，我们可以通过增加隔声材料的密度以及材料的厚度来提高隔声性能。同时，研究还表明：材料的隔声性能的优劣还与其微观结构有着密切的关系。因此可以通过制备复合材料来改变材料的微观结构，制备出超薄、轻质量和高强度的隔声材料

1.4 试样制备

（1）160℃下将适量EVA（或者SBS、PVC）和自制丙烯酸树脂先加入密炼机中共混改性（下面均称为xx改性），混合5min后加入无机材料混炼40min，出料。

（2）平板硫化机上，模具140℃下预热20min，上下贴隔离纸，涂脱模剂，取80g左右原料加入，压力据实际情况定（一般5MPa左右），加压后，样品溢出，立即卸压，在平板硫化机上保持10min左右，取下，待温度降到100℃左右，取出样片，制成厚5mm，直径100mm的圆片。

（3）样片取下隔离纸，为了便于测试及加工应用，样品表面用自制胶黏剂一面贴铝箔，一面贴无纺布，样品温度降至室温后进行相关测试。

2 结果与讨论

2.1 不同树脂基体对隔音性能的影响

图2所示为不同树脂基体对应样品的隔音曲线,除基体树脂种类不同外，其余用量均相同。从图中可以看出以改性后的丙烯酸树脂为基体的样品在50～280Hz及900～1600Hz的频率范围内隔音性能均优于以纯丙烯酸树脂为基体的样品。这是由于低频区（50～280Hz）隔音性能主要取决于材料的刚度，材料刚度越大，隔音性能越好。而EVA、SBS、 PVC本身刚度优于丙烯酸树脂，共混改性后使得样品整体刚度增加，所以有更优异的低频隔音性能。高频区（900～1600Hz）属于质量控制区，隔音性能的优劣主要取决于材料的密度。EVA、SBS、PVC本身密度要大于丙烯酸树脂，丙烯酸树脂改性后，基体密度增加，致使隔音性能在高频区增加，表现在隔音曲线上，900～1600Hz处改性后的样品隔音曲线明显高于未改性的隔音曲线。而中频区（330～900Hz）材料的隔音性能主要取决于材料的阻尼性能，从隔音曲线可以看出以自制丙烯酸树脂为基体的样品阻尼性能优于以其他树脂为基体的样品。

图2 不同树脂基体样品的隔音曲线Fig.2 The sound insulating curves of different resin matrix samples

2.2 增韧剂种类对隔音性能的影响

图3 增韧剂种类对隔音性能的影响Fig.3 The effect of types of toughening agent on the sound insulating performance

增韧剂是具有降低复合材料脆性和提高复合材料抗冲击性能的一类助剂。由图3可以看出，不同种类的增韧剂对样品各频率范围内的隔音性能影响不大。隔音曲线几乎趋于重合。仅在低频区（50～174Hz）和中频区（600～900Hz）以聚醚为增韧剂的样品隔音曲线略低，而其他频率区三种不同种类的增韧剂对样品隔音性能无明显影响。

2.3 增韧剂用量对材料性能的影响

2.3.1 增韧剂用量对加工性能的影响

随着增韧剂用量的增加，试样在密炼机内混合时，由于增韧剂为油状液体，试样的润湿度随增韧剂的增加而增加，当增韧剂的含量为20份时，试样在密炼机内近乎为黏稠状液体，在密炼机内混合困难，造成物料很难混合均匀。增韧剂含量过高，试样容易粘在滚筒上，很难取下。在平板硫化机上模压时，不含增韧剂时，材料塑化性较差，需要较高的温度和压力，一般需要150～160℃，10MPa，否则很难成型。当增韧剂含量过高时，样品流动性增加，模压时，较小的压力就可以成型，但在模压过程中，材料易从模具中溢出，致使材料面密度差异较大，制成的样片较柔软。

2.3.2 增韧剂用量对隔音性能的影响

图4 增韧剂用量对隔音性能影响Fig.4 The effect of amount of toughening agent on the sound insulating performance

在其他用量不变的情况下仅增加增韧剂的用量研究其对样品隔音性能的影响，增韧剂用量以100份基体树脂为单位。图4可以看出，随着增韧剂的增加，在低频区（50～210Hz）隔音曲线逐渐下降，增韧剂用量为20份时，隔音曲线在低频区走向有少许不同，可能是由于测试条件引起的，在低频区样品的固有频率向低频方向移动；同样，高频区（600～1600Hz）隔音量随增韧剂的增加而减少；仅中频区（210～600Hz）样品的隔音性能随增韧剂的增加而增加。分析出现这种现象的原因主要有以下几点：（1）低频区隔音量的大小主要受样品刚度的影响，增韧剂的用量的加大，增加了材料的柔韧性，进而降低了材料的刚度，所以低频区样品的隔音量随增韧剂的增加而减少；（2）高频率区（600～1600Hz）材料的隔音性能受样品密度的影响。由于实验中所使用的增韧剂均为液体状态，在保证其余原料用量及样品尺寸不变的情况下，仅增加增韧剂的用量，致使样品的密度降低，最终致使隔音量呈现下降趋势；（3）中频区（210～600Hz）隔音性能受材料阻尼性大小的影响。增韧剂是具有降低复合材料脆性和提高复合材料抗冲击性能、柔韧性的一类助剂，增韧剂用量的增加使得材料的柔韧性和抗冲击性能增加，声波到达材料内部时，材料内部基体与基体间、基体与填料间的摩擦放热增加，提高了材料的阻尼性能。

2.4 丙烯酸树脂基复合材料扫描电镜图

图5 丙烯酸树脂基复合材料扫描电镜图Fig.5 The SEM images of acrylic resin based composites

从图5中可以看出，填料与丙烯酸树脂基体之间的相容性良好，界面结合程度较好，填料可以更牢固地嵌入基体当中，增强二者的相互作用，从而有效提高了复合材料的阻尼性能。

3 结论

以丙烯酸树脂为基体的新型阻尼材料，通过隔音性能测试表现出了较好的隔音效果。通过研究发现：（1）对丙烯酸树脂进行改性后，材料的隔音性能在低频和高频区域隔音性能增加，但中频区隔音性能下降；（2）增韧剂赋予材料一定的柔韧性，增韧剂的种类对材料隔音性能的影响不大，但增韧剂用量对材料隔音和加工性能均有一定的影响，随增韧剂的增加，材料高频率区隔音性能下降，且随增韧剂用量的增加材料加工性能下降，因此增韧剂的用量应适中；（3）通过扫描电镜对材料表面形貌进行观察可以看出，丙烯酸基体与填料之间界面结合好，无机填料均匀地被基体包裹。

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［2］张邦俊，翟国庆．环境噪声学［M］．第2版.杭州：浙江大学出版社，2001．

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Preparation and Study on the Acrylic Resin Based New Polymer Sound Insulating Material

LIU Fei1,WANG Chao2,LI Bo-hong2and LIU Li-jia1
（1.Harbin Engineering University,Harbin 150000,China;2.Institute of Petrochemical Chemistry,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040, China）

A new type of sound insulating material was prepared based on self-made acrylic resin.The sound insulating properties of acrylic resin-based materials were tested by four-microphone impedance tube method.The effects of matrix modification,different types and amounts of toughening agents on the sound insulating performance were studied,and the surface morphology of the material was observed by scanning electron microscopy.It was found that after the matrix modification the sound insulating performance in the frequency range between 50～280Hz and 900～1600Hz was improved;the types of toughening agent had little effect on the sound insulating performance,however it would decline along with the increasing of toughening agent amount,therefore an appropriate content of the toughening agent would be necessary,in order to satisfy both the toughening effect and sound insulating performance.

Sound insulation;noise reduction material;acrylic resin;modification;toughening agent

TB332

A

1001-0017（2017）04-0271-04

2017-03-13

刘飞（1993－），女，山东潍坊人，在读研究生，主要从事高分子阻尼降噪复合材料的研究开发工作。

*通讯联系人：刘立佳，男，副教授，硕士导师。