有机蒙脱土/丁腈橡胶-聚氯乙烯隔声复合材料的制备及性能

胡 胜，蔡 俊，傅 强

(1.国网湖南省电力有限公司 电力科学研究院，长沙 430007；2.上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240)

随着社会进步和人民生活水平的提高，对声环境质量的要求越来越高，由噪声引发的纠纷投诉问题日益突出[1-3].传统的隔声屏障、隔声罩等装置为达到良好的隔声效果，多采用笨重的金属和无机材料，这个给降噪装置的安装和日常运维带来了许多不便[4-6]，因此开发轻质高效的隔声材料和结构是当前研究的热点[7-11].许多研究者利用高分子材料与无机、金属粉末等填料复合，从而制备出了新型高隔声效果复合材料[12-14].

丁腈橡胶(NBR)/聚氯乙烯(PVC)复合材料兼具橡胶和塑料的优点，有良好的弹性和可塑性，以及优良的耐油性、耐候性等，用其制作隔声材料具有良好的应用前景[15].傅强等研究了添加片状氧化石墨烯(GO)来提高NBR/PVC的阻尼性能，从而使得NBR/PVC的隔声性能提高[16].但是由于GO的成本很高，不利于大规模推广应用.王毅等探讨了有机蒙脱土对聚氯乙烯/丁腈橡胶纳米复合材料结构与性能的影响，研究结果表明OMMT可在复合材料中实现纳米级分散，添加适量的OMMT可提高复合材料的拉伸强度、耐溶剂性能和耐热性能[17].本文为进一步降低NBR/PVC复合隔声材料的成本，通过填充片状有机蒙脱土(OMMT)制备OMMT /NBR-PVC隔声复合材料.探讨了OMMT的含量对材料的断面形貌、面密度、力学性能、阻尼性能和隔声性能的影响，进而对OMMT/NBR-PVC材料的隔声机理进行了分析.

1 实 验

1.1 试样的制备

实验中采用的NBR-PVC基体质量比为70∶30，通过添加不同剂量的OMMT作为改性填料，从而制备出OMMT/NBR-PVC复合隔声材料，表1为实验样品采用的配方.聚氯乙烯树脂(PVC)聚合度为1 000±150，密度为1.4 g/cm3；丁腈橡胶(NBR)丙烯腈含量为33%，密度为1 g/cm3；有机蒙脱土(OMMT)：粒径为100 nm～1 μm.样品制备可分为硫化前、硫化、硫化后3个阶段.

表1 OMMT/NBR-PVC的配方(质量分数/%)

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

样品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：在将PVC、OMMT等放置在60 ℃的真空干燥箱中4 h后，按表1的配方分别称取不同质量的NBR、PVC、硬脂酸和DOP等原料，在温度为160 ℃的开炼机中混炼2 min，其转速为20 r/min.在加入无机改性剂(OMMT)后，继续混炼5 min.待混炼胶自然冷却后，将开炼机温度调为60 ℃，然后加入促进剂和升华硫，混炼5 min.

硫化：将加入硫化剂的混炼胶在室温下放置24 h后，在温度设为160 ℃的平板硫化机上采用10 MPa压力压制12 min后成型.

硫化后：将成型后的混炼胶在室温下放置24 h后，根据测试需要裁成相应尺寸.

1.2 试验性能表征

1.2.1 面密度

先用天平秤出试样的质量，按下式(1)计算出其面密度.

(1)

式中：ρ0为面密度， g/cm2；M为质量， g；a为试样宽度， cm；b为试样长度， cm.

1.2.2 硬度

根据国标GB/T 531-1992，采用HBS-3000型布氏硬度计测试邵氏硬度.

1.2.3 拉伸性能

用美国INSTRON公司生产的Instron4465型万能试验机按照国标GB/T 528-2009，测试拉伸强度和断裂伸长率.

1.2.4 动态力学性能

用美国Perkin Elmer公司生产的DMA 8000型动态热机械性能分析仪测试动态力学性能.样品尺寸为15 mm(长) 、5 mm(宽) 、1 mm(厚).振动频率采用10 Hz，升温速率采用3 ℃/min.

1.2.5 试样隔声性能

根据传统函数法，用北京声望声电技术有限公司生产的阻抗管来测试样品的吸隔声量，装置照片如图1所示.测试隔声量时，每个试样测试结果取5次测试的平均值.

图1 阻抗管装置图

2 结果与讨论

2.1 OMMT对NBR-PVC隔声复合材料形貌的影响

图2是不同含量OMMT隔声复合材料样品的SEM形貌.在各个样品断面均出现明显的纹路，这可能是由于OMMT粒子极性官能团的引入减弱了片层间相互作用，从而增强了OMMT与基体之间相互作用.当OMMT质量分数低于3.73%时，粒子在基体均匀分散，试样断面的纹路随OMMT的含量增大而逐渐增多，且平整有规律.当OMMT含量(质量分数)为4.92%时，断面纹路呈现无规律排布，且表面粗糙.这可能是由于OMMT含量过多，在基体中发生团聚导致的.

图2 不同质量分数OMMT隔声材料的SEM图片：(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对NBR-PVC隔声复合材料力学性能影响

不同含量OMMT隔声复合材料的各项力学性能见表2和图3所示.由表2和图3可知，材料面密度随着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，基本维持在0.43g/cm-2.OMTT的添加则可有效增强材料的静态力学性能.随粒子含量的增加，材料的弹性模量先增大后降低.当OMMT添加质量分数为3.73%时，OMMT/NBR-PVC的弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率达到最大值，分别为4.15 Pa、20.7 Pa、531%.OMMT作为一种优良的改性填料，在NBR-PVC基体中能实现良好的分散性，并且OMMT表面的活性基团能与基体中的极性基团能形成共价键，从而显著增强了材料的各项力学性能.而当OMMT质量分数增加到4.92%时，OMMT/NBR-PVC的各项力学性能反而降低.这是由于添加过多的OMMT后，OMMT易出现局部团聚现象，受到外力作用是易出现应力集中现象，从而导致材料的各项力学性能降低.

表2 不同含量OMMT隔声复合材料力学性能

Table 2 Mechanical properties after adding different amount of OMMT

样品厚度/cm面密度/(g·cm-2)弹性模量/MPa拉伸强度/MPa断裂伸长率/%10.50.4082.1515.341220.50.4122.8317.350730.50.4353.7619.551140.50.4534.1520.753150.50.4673.8619.2485

图3 不同质量分数OMMT隔声复合材料的应力应变曲线

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

2.3 OMMT对NBR-PVC复合材料阻尼性能影响

不同含量OMMT复合材料的损耗因子见图4所示.由图4可知，在添加OMMT后，隔声材料的阻尼损耗峰向低温偏移且峰值下降.这是由两方面原因导致的：一方面是由于高分子在剪切力和热的作用下插入OMMT层间，增加了高分子链间的物理交联点，使分子链间相对运动和滑移难度变大；另一方面，由于OMMT表面的活性基团与基体分子链间(NBR与PVC都为极性分子链)的相互作用，也会增加分子链之间作用力.随OMMT含量增加阻尼损耗峰向高温方向小幅偏移，即材料的玻璃化转变温度有所提高.隔声材料的损耗因子峰值随OMMT含量增加先增大后减小，当 OMMT质量分数为3.73%时，达到最大；当OMMT质量分数超过4.92%时，由于OMMT粒子小尺寸效应，使得粒子间发生团聚，这与SEM图一致，使材料阻尼性能降低.

图4 不同质量分数OMMT隔声材料的损耗因子图

Fig.4 Damping factor after adding different amount of OMMT

2.4 OMMT对NBR-PVC复合材料隔声性能影响

图5(a)为OMMT/NBR-PVC隔声性能频谱曲线.OMMT是一种插层结构和具有良好阻隔性的改性填料， 添加OMMT能够显著提高机体的弹性模量和气密性，如表2所示，可有效限制材料中大分子链的运动，提高粘滞效应，能减少声能透射量，从而提高低频隔声量.当OMMT质量分数为3.73%时低频段的隔声性能最佳.在中高频段，材料的隔声性能可能是由3方面因素综合导致的.首先，随OMMT含量增加材料的面密度逐渐变大，根据质量作用定律，其隔声量性能逐渐增加.但当粒子含量为4.92%时，材料的隔声性能反而降低，这可能与粒子在其内部发生严重的团聚有关；同时，由于OMMT和NBR-PVC基体声阻抗存在较大差异，声波在两者界面会形成较大的反射和耗散，通过材料中众多微界面的存在，从而提高隔声性能.

图5 不同质量分数OMMT隔声复合材料的隔声性能

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

图5(b)为不同含量OMMT隔声材料的隔声指数.由图可知，当添加质量分数分别为1.28%、2.52%、3.73%、4.92%的OMMT后，提高到24 dB.当OMMT的质量分数为3.73%时，隔声指数最大，材料隔声性能最佳.

3 结 论

综上所述，OMMT的添加一定程度上提高了NBR-PVC复合材料的整体性能.当OMMT质量分数为3.73%时，OMMT/NBR-PVC复合材料的性能综合最佳，其隔声指数达到32.6 dB.由于OMMT/NBR-PVC复合材料较传统隔声材料具有轻质、易加工、成本低等优点，因此其具有良好的市场应用前景，这也为新型隔声复合材料的研制提供了新思路.