聚合物-岩棉复合泡沫吸声材料的研制
随着工业、交通运输业、建筑业等行业的迅速发展，噪声对人类的危害也越来越大。目前，噪声污染已同空气污染、水污染一起，被公认为当代三大公害。它轻则影响人们正常的生活，降低劳动生产效率，使人产生烦噪情绪；重则使人的听觉器官损伤，引起耳聋，并对神经和心血管系统产生不良影响，特别强的噪声还可能使人死亡。据卫生组织估计，仅美国每年由噪声带来的损失就近40亿美元。可见，控制噪声已成为人类的当务之急，对吸声降噪材料的研究已成为各国科技工作者的重要研究方向之一。
吸声材料的发展经历了以下几个阶段：阶段是利用棉、麻等天然有机材料作为吸声材料，但由于这类材料不防火、不防潮、易腐烂等因素而限制了它们的应用；第二阶段是无机材料取代了上述有机材料的阶段，如膨胀珍珠岩砌块、岩棉等，但它们又由于性脆、不易施工、对人体皮肤有刺激性等因素，未能得到广泛应用；第三个阶段是利用合成高分子材料为基本原料来制取新的吸声材料。由于这类吸声材料具有吸声性能优良、导热系数低、防潮防腐、成本低、工艺简单、阻燃等优点，在近些年得到广泛的关注、研究与开发。我们利用PVC、EPR（乙丙橡胶）和岩棉等制成的材料，不仅具有上述的优点，而且还克服了一般多孔性吸声材料低频吸声性能普遍较差的缺陷，使它的开发应用前景更为可观。
1． 实验部分
1.1．原料
聚氯乙烯（PVC）、邻苯二甲酸丁酯（DBP）、偶氮二甲酰胺（AC）、乙丙橡胶（EPR）、岩棉、均为工业品。
1.2．仪器设备
开放式炼塑机，精密声级信频滤波器，外差分析仪、驻波管，烘箱，天平。
1.3．制备工艺
（1）将各组份按配方要求混合均匀。
（2）按要求的温度和时间在开放式炼塑机上混炼。
（3）把混炼好的物料切成片状，放入模具中。
（4）在烘箱中按一定的温度和时间进行发泡。取出模具，脱模即得产品试样。
1.4．吸声性能测试
产品试样的吸声性能是按《驻波法吸声系数与声阻孔率测量规范》（GBJ-88-85）进行的。测出的数据经数学处理后可得到材料在不同频率下的吸声系数。
2．结果与讨论
2.1．增塑剂含量对吸声性能的影响
从多孔性材料的吸声机于是我们知道，材料的吸声作用就是声能消耗的过程。声能能否被消耗与消耗多少是由材料的结构决定的。而影响材料结构的因素主要是泡孔的形状、泡孔直径大小及分布情况和空隙率等，其中主要的是空隙率和泡径大小。一般来说，空隙率大的其吸声效果就好。在生产工艺和配方中，对空隙率影响大的两个因素是增塑剂和发泡时间及发泡温度。
由于本实验配方中加入了无机纤维，这会使融体体系的粘度和硬度增加很多，不易制得高空隙率的制品。但为了得到所需的空隙率，就必须加入适量的增塑剂以降低融体粘度，同时增加体系的延展性和柔顺性，从而减小硬度。实验中，我们选取了增塑剂用量从60份到90份的一系列用量进行了实验，发现都能得到一定吸声性能的材料，但它们的吸声效果相差比较大，表现为随增塑剂用量的增大，吸声性能先提高而后下降。可见，增塑剂的用量不宜过多，也不宜太少。增塑剂用量过多，则会造成体系粘度降低太多，发泡气体在体系中极易扩散，导致大量气泡破裂，生成大泡或发生制品塌陷，造成空隙率急剧下降，结果使吸声性能也随之下降。另外，增塑剂用量太大，不仅增加生产成本，还会引起试样强度的下降，影响它的应用。当然，增塑剂用量也不宜太少，太少则得不到所需的高空隙率，也就不会有高的吸声性能。可见，通过实验获得佳的增塑剂用量是很关键的。我们通过实验得出此体系中增塑剂佳的用量为70份（相对于PVC用量为100份而言）。
2.2．发泡时间及发泡温度对吸声性能的影响
上面我们已经知道，发泡时间及发泡温度是影响空隙率的两大重要因素之一，也是影响吸声性能的重要因素。同时，发泡时间及发泡温度是有密切关系的，是相互影响的。一般来说，发泡温度高，发泡剂分解迅速，单位时间内放出更多的气体，熔体体系粘度下降较快，利于气泡生长和形成大量的连通泡孔，使空隙率升高，也就利于声音的吸收。若发泡温度过高，会造成体系粘度过低，发生并泡现象，使空隙率下降，从而影响吸声性能；另外，还可能引起PVC和EPR降解发黄。若发泡温度过低，制品发泡太少，甚至不发泡，也就无空隙率可谈。
发泡时间在一定范围内的延长，会使发泡剂分解完全，生成更多更大的气泡，产生高的空隙率，提高吸声性能。若温度较高，延长发泡时间则可能引起制品进退陷及并泡现象的发生，不仅影响制品外观，还严重影响吸声性能。若发泡温度过低，再延长发泡时间也不能得到所需的空隙率。
发泡时间及发泡温度必须与高聚物基体的熔融温度和发泡剂的分解温度相匹配，这样才能得到高的空隙率，从而具有良好的吸声性能。
2.3．试样厚度对吸声性能的影响
材料厚度也是影响试样吸声性能的重要因素之一。我们选择了厚度为6mm到12mm的一系列试样，对其进行吸声性能的测试。从结果可知，随着材料厚度的增加，低频处吸声系数的提高比较显著，而高频处的吸声性能变化很不明显。可见，增加材料厚度是增大低频吸声性能的重要方法之一。
2.4．材料吸声机理的简单分析
泡沫吸声材料的吸声机于是一般认为是，声波进入材料内部的空隙后会引起孔内空气和材料细纤维发生振动，造成空气和孔壁的摩擦作用及空气分子间的粘滞阻力作
用，使振动能变为热能而使声能衰减。引外，由于孔中空气在绝热压缩中升温，而在绝热膨胀中降温，使热发生传导作用，使空气与吸声材料之间不断发生热交换，使声能转化为热能而衰减，反射声减少，总的声音强度降低，实现材料吸声功能。
体系中的EPR是一种粘弹材料，具有柔性和长链大分子，性能介于固体的弹性和流体的弹性之间。当声波作用在它上时，材料的分子链段产生运动，重新构象有弛预时间，其形变跟不上应力变化，产生滞后效应，损耗一部分能量。同时，由于粘性内摩擦的存在，将部分弹性能转变为热能，材料由此引起声能损耗，即吸声作用。EPR的分子链段越长，使之产生运动的能量也就相应越大，吸收声波的频率也就相应越大。由于所选EPR的分子量适中，实现了对较低频率处声音的吸收。
实验中所选无机纤维是岩棉，它是一种中高频吸声性能优异的材料，加入此材料无疑会使制品的吸声性能得到提高。
本实验制得的试样综合了多孔性吸声机理和粘弹性材料的阻尼吸声机理，两者共同作用，互为补充，使试样表现出优良的吸声性能。
3．结论
（1）本实验制得的高聚物基岩棉泡沫复合材料具有优良的吸声性能，尤其是低频吸声性能较一般多孔型材料提高明显。它还具有成本低、工艺简单、阻燃、质轻、强度大的优点。
（2）增加材料厚度可明显提高低频吸声性能。
（3）增塑剂是影响空隙率的重要因素，本实验中增塑的佳用量为70份。
参 考 文 献
1． 马大猷。噪声与振动控制。1990 (3), P3
2． 刘天齐。环境保护。化学工业出版社，1996
3． 张沛商等。噪声控制工程。北京经济学院出版社，1991
吸声材料的发展经历了以下几个阶段：阶段是利用棉、麻等天然有机材料作为吸声材料，但由于这类材料不防火、不防潮、易腐烂等因素而限制了它们的应用；第二阶段是无机材料取代了上述有机材料的阶段，如膨胀珍珠岩砌块、岩棉等，但它们又由于性脆、不易施工、对人体皮肤有刺激性等因素，未能得到广泛应用；第三个阶段是利用合成高分子材料为基本原料来制取新的吸声材料。由于这类吸声材料具有吸声性能优良、导热系数低、防潮防腐、成本低、工艺简单、阻燃等优点，在近些年得到广泛的关注、研究与开发。我们利用PVC、EPR（乙丙橡胶）和岩棉等制成的材料，不仅具有上述的优点，而且还克服了一般多孔性吸声材料低频吸声性能普遍较差的缺陷，使它的开发应用前景更为可观。
1． 实验部分
1.1．原料
聚氯乙烯（PVC）、邻苯二甲酸丁酯（DBP）、偶氮二甲酰胺（AC）、乙丙橡胶（EPR）、岩棉、均为工业品。
1.2．仪器设备
开放式炼塑机，精密声级信频滤波器，外差分析仪、驻波管，烘箱，天平。
1.3．制备工艺
（1）将各组份按配方要求混合均匀。
（2）按要求的温度和时间在开放式炼塑机上混炼。
（3）把混炼好的物料切成片状，放入模具中。
（4）在烘箱中按一定的温度和时间进行发泡。取出模具，脱模即得产品试样。
1.4．吸声性能测试
产品试样的吸声性能是按《驻波法吸声系数与声阻孔率测量规范》（GBJ-88-85）进行的。测出的数据经数学处理后可得到材料在不同频率下的吸声系数。
2．结果与讨论
2.1．增塑剂含量对吸声性能的影响
从多孔性材料的吸声机于是我们知道，材料的吸声作用就是声能消耗的过程。声能能否被消耗与消耗多少是由材料的结构决定的。而影响材料结构的因素主要是泡孔的形状、泡孔直径大小及分布情况和空隙率等，其中主要的是空隙率和泡径大小。一般来说，空隙率大的其吸声效果就好。在生产工艺和配方中，对空隙率影响大的两个因素是增塑剂和发泡时间及发泡温度。
由于本实验配方中加入了无机纤维，这会使融体体系的粘度和硬度增加很多，不易制得高空隙率的制品。但为了得到所需的空隙率，就必须加入适量的增塑剂以降低融体粘度，同时增加体系的延展性和柔顺性，从而减小硬度。实验中，我们选取了增塑剂用量从60份到90份的一系列用量进行了实验，发现都能得到一定吸声性能的材料，但它们的吸声效果相差比较大，表现为随增塑剂用量的增大，吸声性能先提高而后下降。可见，增塑剂的用量不宜过多，也不宜太少。增塑剂用量过多，则会造成体系粘度降低太多，发泡气体在体系中极易扩散，导致大量气泡破裂，生成大泡或发生制品塌陷，造成空隙率急剧下降，结果使吸声性能也随之下降。另外，增塑剂用量太大，不仅增加生产成本，还会引起试样强度的下降，影响它的应用。当然，增塑剂用量也不宜太少，太少则得不到所需的高空隙率，也就不会有高的吸声性能。可见，通过实验获得佳的增塑剂用量是很关键的。我们通过实验得出此体系中增塑剂佳的用量为70份（相对于PVC用量为100份而言）。
2.2．发泡时间及发泡温度对吸声性能的影响
上面我们已经知道，发泡时间及发泡温度是影响空隙率的两大重要因素之一，也是影响吸声性能的重要因素。同时，发泡时间及发泡温度是有密切关系的，是相互影响的。一般来说，发泡温度高，发泡剂分解迅速，单位时间内放出更多的气体，熔体体系粘度下降较快，利于气泡生长和形成大量的连通泡孔，使空隙率升高，也就利于声音的吸收。若发泡温度过高，会造成体系粘度过低，发生并泡现象，使空隙率下降，从而影响吸声性能；另外，还可能引起PVC和EPR降解发黄。若发泡温度过低，制品发泡太少，甚至不发泡，也就无空隙率可谈。
发泡时间在一定范围内的延长，会使发泡剂分解完全，生成更多更大的气泡，产生高的空隙率，提高吸声性能。若温度较高，延长发泡时间则可能引起制品进退陷及并泡现象的发生，不仅影响制品外观，还严重影响吸声性能。若发泡温度过低，再延长发泡时间也不能得到所需的空隙率。
发泡时间及发泡温度必须与高聚物基体的熔融温度和发泡剂的分解温度相匹配，这样才能得到高的空隙率，从而具有良好的吸声性能。
2.3．试样厚度对吸声性能的影响
材料厚度也是影响试样吸声性能的重要因素之一。我们选择了厚度为6mm到12mm的一系列试样，对其进行吸声性能的测试。从结果可知，随着材料厚度的增加，低频处吸声系数的提高比较显著，而高频处的吸声性能变化很不明显。可见，增加材料厚度是增大低频吸声性能的重要方法之一。
2.4．材料吸声机理的简单分析
泡沫吸声材料的吸声机于是一般认为是，声波进入材料内部的空隙后会引起孔内空气和材料细纤维发生振动，造成空气和孔壁的摩擦作用及空气分子间的粘滞阻力作
用，使振动能变为热能而使声能衰减。引外，由于孔中空气在绝热压缩中升温，而在绝热膨胀中降温，使热发生传导作用，使空气与吸声材料之间不断发生热交换，使声能转化为热能而衰减，反射声减少，总的声音强度降低，实现材料吸声功能。
体系中的EPR是一种粘弹材料，具有柔性和长链大分子，性能介于固体的弹性和流体的弹性之间。当声波作用在它上时，材料的分子链段产生运动，重新构象有弛预时间，其形变跟不上应力变化，产生滞后效应，损耗一部分能量。同时，由于粘性内摩擦的存在，将部分弹性能转变为热能，材料由此引起声能损耗，即吸声作用。EPR的分子链段越长，使之产生运动的能量也就相应越大，吸收声波的频率也就相应越大。由于所选EPR的分子量适中，实现了对较低频率处声音的吸收。
实验中所选无机纤维是岩棉，它是一种中高频吸声性能优异的材料，加入此材料无疑会使制品的吸声性能得到提高。
本实验制得的试样综合了多孔性吸声机理和粘弹性材料的阻尼吸声机理，两者共同作用，互为补充，使试样表现出优良的吸声性能。
3．结论
（1）本实验制得的高聚物基岩棉泡沫复合材料具有优良的吸声性能，尤其是低频吸声性能较一般多孔型材料提高明显。它还具有成本低、工艺简单、阻燃、质轻、强度大的优点。
（2）增加材料厚度可明显提高低频吸声性能。
（3）增塑剂是影响空隙率的重要因素，本实验中增塑的佳用量为70份。
参 考 文 献
1． 马大猷。噪声与振动控制。1990 (3), P3
2． 刘天齐。环境保护。化学工业出版社，1996
3． 张沛商等。噪声控制工程。北京经济学院出版社，1991
