聚合物基复合泡沫材料的吸声机理

文章编号:1006-1355(2000)02-0041-03

聚合物基复合泡沫材料的吸声机理

钱军民　李旭祥

(西安交通大学环境与化学工程学院,西安　710049) 摘要:本文采用一次性化学发泡工艺制成了一种吸声性能优良的新型泡沫吸声材料。运用正交试验确定了最佳的配方和工艺条件。文中研究了发泡剂用量、乙丙橡胶用量等因素对材料吸声性能的影响,详细讨论了聚合物基泡沫吸声材料的吸声机理。

关键词:泡沫材料　吸声机理　共混

中图分类号:T B34　文献标识码:A

1　引　言

随着现代社会经济的飞速发展,噪声对人类的危害也迅猛增加。噪声按产生机理可分为机械噪声、空气动力性噪声和电磁性噪声。与我们生活密切相关的是城市噪声,它的来源大致可分为工厂噪声、施工噪声、交通噪声和社会噪声,伴随着工业和交通运输业的进一步发展,使整治噪声污染也越来越具有重要的意义。目前,世界各国都很重视噪声污染的治理,关于噪声的本质与产生机理的研究也是当代科技工作者的一个重要方向。

目前,控制噪声的基本途径有四种,即隔声、吸声、阻尼和隔振,其中吸声和阻尼是最基本的途径,也是应用最广泛的。控制声场环境质量最根本的物质手段是吸声材料[1]。几乎每一种材料都有吸声性,但并不是这些材料都称为吸声材料。一般把125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz这六个频率处的吸声系数称为材料吸声频率特性的标准,它们的平均值大于0.2的材料才称为吸声材料[2]。在各种吸声材料中,应用最为广泛的是多孔型吸声材料。常用多孔型吸声材料有木丝板、纤维板、玻璃棉、矿棉、珍珠岩、泡沫混凝土、泡沫塑料和泡沫金属等。

吸声材料的发展经历了一个从有机材料到无机材料,再到有机材料的过程。最早的吸声材料是棉、麻、兽毛等天然有机材料,这类材料具有良好的中高频吸声性能,但由于它们不防火、不防潮、易腐烂等因素而限制了它们的应用,后来逐渐被一类无机材料所取代。近十几年来,国内发展了颗粒型和泡沫型多孔吸声材料,如微孔砖、矿渣砖及某些松散无机纤维等,它们虽具有良好的吸声性能,但强度较低或成型困难,施工时易洒落及对人皮肤有刺激性等因素,其应用也受到很大的限制,现在,世界上许多国家正在利用合成高分子材料来制取具有阻燃性、防腐防潮、使用寿命长,导热系数低、吸声性能优良的泡沫型吸声材料。目前研究较多的聚合物泡沫吸声材料主要有酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫和聚丙烯泡沫等。

笔者利用合成高分子材料为基本原料制成的泡沫吸声材料除具有一般泡沫吸声材料的优点外,它还具有成本低、强度大和成型加工简单的特点,而且能通过加入不同的颜料而呈现不同的色彩。满足了目前吸声材料必须具有的功能性、装饰性和经济性等要求。因此它在工业、建筑业和装饰业中具有广阔的应用前景。

2　实验部分

2.1　主要原材料

基材 聚氯乙烯、乙丙橡胶、岩棉

发泡剂　偶氮二甲酰胺

增塑剂　邻苯二甲酸丁酯

阻燃剂　氯化橡胶和三氧化二锑

稳定剂　有机锡

2.2　试样的加工工艺

原材料的准备→各组分按配方称量→原材料混合,搅拌均匀→在开放式炼塑机上混炼→切片→入膜→按要求的温度和时间在烘箱中发泡→取出模具→脱模。

41

聚合物基复合泡沫材料的吸声机理

2.3　试样吸声性能测试

采用驻波法测定试样在各频率处的吸声系数。具体过程是,将试样放在驻波管前端,移动传感器,经放大器后在外差分析仪读取数据。测出驻波声压级的极大值Pmax 和极小值Pm in ,经(1)式和(2)式处理就可算出吸声系数 。

S =Pm ax /Pmin (1) =4S /(S +1)

2

(2)

3　结果描述

为了得到合理的配方,我们进行了反复的探索实验后,确定了影响材料吸声性能的几种重要因素,进行了正交实验设计并进行了极差分析。另外,还做了一些补充实验,对一些对材料吸声性能有较大影响的因素作了进一步的研究。从正交实验结果和补充实验我们知道,乙丙橡胶用量的增加能有效改善试样中低频的吸声性能,尤其是对低频范围内吸声系数的改善更为显著;发泡剂用量增大时,材料吸声性能先提高而后又逐渐下降,发泡剂用量表现出一个最佳用量,即6份,当发泡剂用量过少时,制品发泡不充分,而当发泡剂用量过多时,制品结构比较粗糙,有并泡现象和制品塌陷现象,这两种情况都会使吸声性能下降许多;随岩棉用量的增加,试样吸声性能也是呈现先增加而后又下降的趋势。

4　机理的分析

4.1　多孔性吸声机理

物体的性能是由物质的结构决定的。多孔型吸声材料的吸声机理是由它的泡沫结构决定

的,其基本结构用一句话表达就是,材料中有大量的相互贯通的由表及里的微孔。

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振动,造成空气和孔壁间的摩擦作用,紧靠孔壁和纤维表面的空气由于受孔壁的影响不易产生运动,因这种摩擦作用和空气分子间的粘滞力作用使振动的动能转为热能而使声能衰减,也就实现了相当一部分声能转

化为热能而被消耗掉。此外,由于空气在绝热中

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,总的声音强度低,实现了材料吸声。4.2　阻尼吸声机理

配方中所含的乙丙橡胶,是一种粘弹性材料,由长链大分子构成,具有柔性,其性能介于固体和液体的弹性之间。在声波作用下,材料的分子链产生链段运动,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,材料由此引起损耗声能,即吸声作用。

由声波在介质中能量衰减理论可知,声波在介质中传播一个周期的能量损耗的简化表达式为H = E 2

tan (3)

最大应变 决定于形变的形式。最简单的弹性形变可分为伸长、压缩和均匀剪切形变三种,模量间的关系可表示为

E =2(1+ )G =3(1-2 )K

(4)

式中:E 为杨氏模量;G 为剪切模量;K 为压缩模量; 为泊松比。对于橡胶类弹性体, 值略小于0.5,它的体积压缩模量最大,因而声波的压缩形变小。要作为吸声材料,就须创造条件,使得在声激励下,将材料压缩形变变为剪切形变,从而增大材料的声衰减效应。由几何声学可知,声波在不同物质界面会发生折射与反射,要使材料有效地吸收入射波能量,就须要求材料的特征阻抗 C 与声波在介质中传播的特征阻抗 w Cw 相匹配。这样,入射波几乎无反射地从介质中进入吸声材料中,然后通过材料的内耗将声能转化为热能消耗掉。但作为吸声材料,人们总希望它的损耗因子尽可能地大,声波进入材料后才能很快衰减。据无限厚均匀弹性体吸声材料声学理论分析,增大材料的损耗因子与特征阻抗匹配要求有矛盾。当 C ≈ w Cw 时,声波在界面的反射系数表示为 R =

( 2/4)/(4+ 2/4)≈ /5

(5)[3]

因此,在阻尼吸声材料研制中,要获得良好的吸声效果,就必须从材料与介质的特征阻抗匹配、材料的损耗因子和几何形状结构设计等

2000年4月噪　声　与　振　动　控　制第2期