孫礦華，姚躍飛，虞學(xué)華，楊　杰，甘晶晶

(1. 浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018;2. 杭州天象聲學(xué)技術(shù)有限公司，杭州 310015)

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PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的隔聲性能研究

孫礦華1，姚躍飛1，虞學(xué)華2，楊杰2，甘晶晶1

(1. 浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018;2. 杭州天象聲學(xué)技術(shù)有限公司，杭州 310015)

通過制作出不同蛭石含量的PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料，研究其隔聲性能。對復(fù)合材料進(jìn)行微觀形貌的觀察、隔聲性能及力學(xué)性能的測試。結(jié)果表明：經(jīng)PVC改性過的瀝青與蛭石相容性良好，制做出的復(fù)合材料具有較好的隔聲性能；在相近的面密度下，蛭石含量和蛭石目數(shù)的變化對復(fù)合材料隔聲性能的影響主要在聲頻>1250 Hz的區(qū)域；隨著面密度的增加，復(fù)合材料隔聲量增高，主要體現(xiàn)在200～2000 Hz的聲頻區(qū)。

瀝青；蛭石；PVC；隔聲；復(fù)合材料

0　引　言

經(jīng)過改性處理后的瀝青，具有良好的阻尼性能[1-2]，可用于降噪材料。瀝青阻尼材料作為車身附件的減振隔聲零件，已在汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。瀝青流動性好，具有很好的粘合力，可以把各種松散的材料包裹起來，故瀝青作為降噪材料具有很大的優(yōu)勢[4]。蛭石內(nèi)部具有獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)，常作為吸聲材料使用，并具有質(zhì)輕、防火且價格低廉等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。梁永勝[7]用蛭石作為阻燃劑加入到瀝青中，所制備的瀝青制品具有良好的阻燃性能。由于瀝青具有良好的阻尼性能，蛭石又具有層狀結(jié)構(gòu)使聲波多次反射而衰減，并提高瀝青復(fù)合材料的阻燃性。因此通過瀝青的改性并制作含有蛭石的復(fù)合材料有可能具有良好的隔聲性能，本文通過制作瀝青、蛭石等的復(fù)合材料，研究其隔聲等性能。

本研究通過PVC對瀝青進(jìn)行改性處理，制作蛭石含量不同的復(fù)合材料，主要研究的內(nèi)容為：不同的蛭石含量，不同的蛭石目數(shù)，以及不同的面密度對復(fù)合材料隔聲性能的影響及機(jī)械性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料

10號石油瀝青(針入度32 mm，延度87 cm，軟化點(diǎn)100 ℃，閃點(diǎn)110 ℃，廣州奇工建材有限公司)、聚氯乙烯樹脂(PVC，SG5型，白色粉末，杭州電化集團(tuán)有限公司)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP，油狀液體，杭州聯(lián)駿化工有限公司)、氯化石蠟(CP，52型，淡黃色粘稠液體，南京榮基化工有限公司)、鋇鋅穩(wěn)定劑(黃色清澈液體，濟(jì)南海德化工有限公司)、蛭石(金黃色粉末，河北方盛礦產(chǎn)品有限公司)。

1.2原料預(yù)處理

使用相應(yīng)目數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)篩分別篩選出適量的20、40、60、80目的蛭石，將PVC和篩選出的蛭石放入80℃烘箱中干燥8 h后，取出裝入密封袋備用。

1.3試樣制備

選用瀝青：PVC∶DOP∶CP∶鋇鋅穩(wěn)定劑質(zhì)量比為100∶60∶24∶24∶2。將10號石油瀝青放入聚四氟乙烯燒杯中，在160 ℃油浴中加熱融化，將PVC、DOP、CP、鋇鋅穩(wěn)定劑按相應(yīng)質(zhì)量比混合均勻后，加放入完全融化的瀝青中，攪拌30 min，待其充分溶脹后加入實(shí)驗(yàn)設(shè)定的蛭石，混合均勻，取出放入模具中，經(jīng)160 ℃的平板硫化機(jī)5 MPa壓力加壓15 min壓制成型，待試樣冷卻至室溫后取出，最后把試樣剪裁成250 mm×250 mm的正方形進(jìn)行隔聲性能的測試。

1.4測試方法

1.4.1微觀形貌觀察

利用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Ultra55，Zessi公司)對PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，研究PVC改性瀝青和蛭石的結(jié)合相容性。

1.4.2試樣隔聲性能的測試

參照GB/T 19889.3-2005、GB/T 19889.10-2006標(biāo)準(zhǔn)采用混響室-消聲室法，如圖1測試系統(tǒng)用BSWA VS302USB雙通道聲學(xué)分析儀對隔聲性能進(jìn)行測試，用Spectra LAB軟件處理數(shù)據(jù)。選擇A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，1/3倍頻程，粉紅背景噪聲源，靜音箱體積：1000 mm ×1000 mm×1000 mm。聲音的取樣頻率取48000；抽取速率取1；傅立葉變換樣本數(shù)取4096?；祉懯以肼暳靠刂普{(diào)整為90 dB測試值。首先，測試在沒有試樣時的空氣的自由衰減量。然后，把試樣固定于測試孔上，測試此刻聲音衰減的總量。最后，試樣對噪聲的實(shí)際衰減量計(jì)為聲音的衰減總量減空氣的自由衰減量。每種試樣測試5塊，每塊重復(fù)測試4次，測試平均值作為測量的隔聲數(shù)據(jù)。

圖1　隔聲測試系統(tǒng)

1.4.3試樣拉伸性能測試

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447-2005，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)(2365型，英國 INSTRON公司)對試樣進(jìn)行拉伸性能測試，預(yù)加張力為2 N，夾距為100 mm。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察

圖2為蛭石的掃描電鏡照片，蛭石具有很好的片狀層間結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波傳播到蛭石表面時，會在蛭石片層結(jié)構(gòu)間發(fā)生無數(shù)次的反射、折射、透射，最終聲波在傳播過程中衰減，所以蛭石具有隔聲性能。圖3為PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的斷面掃描電鏡照片，可以看出，經(jīng)過PVC改性后的瀝青與蛭石無明顯的界面出現(xiàn)，兩者具有很好的相容性，蛭石在復(fù)合材料中仍保持天然的層狀結(jié)構(gòu)。瀝青在升溫到160 ℃時，由彈性固體轉(zhuǎn)化為黏性液體，包裹在蛭石表面。對蛭石而言，PVC改性瀝青起到了粘結(jié)劑的作用，又因?yàn)楦男詾r青的高阻尼作用達(dá)到隔聲的目的。

圖2　蛭石SEM照片

圖3　復(fù)合材料斷面SEM照片

2.2蛭石含量對PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的隔聲性能的影響

表1是實(shí)驗(yàn)制得的不同蛭石含量的7種試樣的相關(guān)參數(shù)，為探索不同蛭石含量對復(fù)合材料隔聲量的影響，對表1中7種試樣進(jìn)行了隔聲特征曲線測定，結(jié)果見圖4。復(fù)合材料的隔聲特征基本符合單層隔聲板的典型隔聲頻率特征：在聲頻200～700 Hz區(qū)域，試樣隔聲量主要受勁度控制，隨著頻率的增加隔聲量略有降低；在聲頻700～1250 Hz區(qū)域，試樣隔聲量主要受質(zhì)量控制，隨頻率的增加隔聲量隨之增加；在聲頻>1250 Hz時，隔聲量由于吻合效應(yīng)而出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，在聲頻 2000 Hz左右產(chǎn)生一個“吻合谷”[9]，最后隔聲量隨頻率的增大而增大。試樣1#至7#在整個頻段的隔聲量基本上是1#<2#<3#<4#<5#<6#，在相近面密度下，蛭石的填充使復(fù)合材料的隔聲性能明顯提高，隨著蛭石填充量的增大，復(fù)合材料隔聲量也隨之增加。隔聲量在聲頻<1250 Hz時區(qū)域提高不明顯，因?yàn)樵诖藚^(qū)域復(fù)合材料的隔聲量主要跟材料面密度相關(guān)，7種試樣的面密度相差很小，所以隔聲量相差很小。隔聲量在聲頻>1250 Hz區(qū)域增加相對顯著，一則蛭石內(nèi)部具有很多層狀結(jié)構(gòu)，噪聲傳播會發(fā)生很多的折射、反射、透射等，由于蛭石的層間也是不規(guī)則的，所以聲波在層間會發(fā)生多次的再折射，再反射，再透射等，而頻率越高噪聲的衰減就越大；二則蛭石含量增多蛭石層狀結(jié)構(gòu)相對增多，反射面也增多，噪聲衰減相對增大。最后隨著蛭石含量的增加，蛭石與瀝青結(jié)合的比表面積也增加，瀝青大分子鏈與蛭石的內(nèi)摩擦力也會增加，因復(fù)合材料的阻尼性增加，提高對聲波的損耗作用[2]。當(dāng)蛭石份數(shù)填充到140份時隔聲量不但不增加，反而下降，這可能是隨著蛭石含量的增加，瀝青含量相對減少，瀝青高分子鏈對蛭石的包裹程度越來越差，瀝青與蛭石間的結(jié)合效果也越來越差，復(fù)合材料內(nèi)部在會產(chǎn)生細(xì)小的縫隙，當(dāng)聲波傳播到復(fù)合材料表面時，聲波透射的比例會大大的增多，相應(yīng)的隔聲量也會隨之下降，魏亞兵等[10]在研究木塑復(fù)合材料的隔聲性能時也呈現(xiàn)相同規(guī)律。

表1　試樣相關(guān)參數(shù)

注：表中的份數(shù)為瀝青質(zhì)量份數(shù)為100為基準(zhǔn)。

圖4　不同蛭石含量的隔聲曲線

2.3蛭石目數(shù)對PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的隔聲性能的影響

表2為實(shí)驗(yàn)制得的5種不同蛭石目數(shù)的試樣相關(guān)參數(shù)，為探索蛭石目數(shù)對復(fù)合材料隔聲量的影響，對表2中5種試樣進(jìn)行了隔聲特征曲線測定，結(jié)果見圖5，隨著蛭石目數(shù)的減小其隔聲效果略有增高，且都高于未添加蛭石的PVC改性瀝青復(fù)合材料。在聲頻<1250 Hz區(qū)域，此區(qū)域隔聲量主要受復(fù)合材料的質(zhì)量控制，由于復(fù)合材料面密度相近所以隔聲效果相差并不明顯，在聲頻>1250 Hz區(qū)域，隔聲效果相對明顯。這可能是隨蛭石目數(shù)的減小，蛭石的粒徑增大，蛭石本身的片層結(jié)構(gòu)就會增多，使聲波的衰減量增多，有助于提高復(fù)合材料的隔聲效果。

表2　試樣相關(guān)參數(shù)

注：表中的份數(shù)為瀝青質(zhì)量份數(shù)為100為基準(zhǔn)。

圖5　不同蛭石目數(shù)的隔聲曲線

2.4面密度對PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的隔聲性能影響

表3為實(shí)驗(yàn)制得的5種不同面密度的試樣相關(guān)參數(shù)，通過控制模具中添加的復(fù)合材料的總重量來控制復(fù)合材料的面密度，相鄰2塊試樣面密度相差大約0.9 kg·m-2，為探索面密度對復(fù)合材料隔聲量的影響，對表3中5種試樣進(jìn)行了隔聲特征曲線測定，結(jié)果見圖6。隨著試樣面密度的增加，復(fù)合材料的隔聲量也隨之增加，在聲頻200～2000 Hz區(qū)域，隔聲量較為明顯；在2000 Hz附近，由于吻合作用的影響，隔聲增加量減??；在200 Hz 以下隔聲量變化量不大。11#試樣面密度為3.46 kg·m-2到14#試樣面密度為6.88 kg·m-2面密度基本增加一倍。按隔聲理論中的單層勻質(zhì)質(zhì)量定律[11]，面密度增加一倍，隔聲量增加6 dB，圖6數(shù)據(jù)可以看出，本復(fù)合材料的隔聲量變化大約只有4 dB，低于面密度理論的隔聲量。并且隨面密度的增加隔聲量的增幅變小，13#試樣與14#號試樣隔聲量變化相差只有0.5 dB，可見PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的隔聲性能受自身材料的多種因數(shù)制衡[12]，僅僅依靠提高復(fù)合材料面密度來提高其隔聲量的效果有限，應(yīng)該與重質(zhì)材料復(fù)合來進(jìn)一步提高其隔聲性能。

表3　試樣相關(guān)參數(shù)

注：表中的份數(shù)為瀝青質(zhì)量份數(shù)為100為基準(zhǔn)。

圖6　不同面密度的隔聲曲線

2.4蛭石含量對PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的拉伸性能影響

圖7　不同蛭石含量的拉伸強(qiáng)度曲線

圖7為表1中1#-7#號試樣的拉伸強(qiáng)度曲線圖，由圖7可知隨著蛭石含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)?，蛭石本身承力不好，蛭石的添加破壞了瀝青大分子鏈的連續(xù)性，在相同面密度下，蛭石含量增多，瀝青的含量減少，拉伸性能也逐漸降低。當(dāng)蛭石含量增加到為130份以后拉伸性能急劇下降，這是因?yàn)榇藭r瀝青大分子對蛭石的包裹程度很差，粘結(jié)性減少，拉伸強(qiáng)度大幅下降。

3　結(jié)　論

a)經(jīng)PVC改性過的瀝青與蛭石具有很好的相容性，制成的復(fù)合材料具有較好的隔聲性能。

b)相同目數(shù)的蛭石在相同面密度下，蛭石的填充使復(fù)合材料的隔聲量提高，隨著蛭石含量的增加PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的隔聲性能先增高后減小，在聲頻>1250 Hz區(qū)域更加明顯。

c)相同蛭石含量在相同面密度下，隨蛭石目數(shù)的增大，蛭石粒徑減小，PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料的隔聲量略有減小，在聲頻>1250 Hz區(qū)域隔聲量的減小相對明顯。

d)在相同蛭石含量和相同蛭石目數(shù)下，隨PVC改性瀝青/蛭石復(fù)合材料面密度的增加，隔聲性能有所增高，在聲頻200 ～2000 Hz區(qū)域更為明顯，但隔聲量的提高低于面密度理論的隔聲量。

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(責(zé)任編輯： 唐志榮)

Research on Sound Insulation Property of PVC Modified Asphalt/Vermiculite Composite

SUNKuanghua1,YAOYuefei1,YUXuehua2,YANGJie2,GANJingjing1

(1.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology,Ministry of Education, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China;2.Hangzhou Tianxiang Acoustic Technology Co.,Ltd., Hangzhou 310015, China)

PVC modified Asphalt/Vermiculite composites with different vermiculite content were prepared to research sound insulation property of composites. The microtopography of composites was observed, and the sound insulation property and mechanical property were tested. The result shows that: vermiculite has a good compatibility with PVC modified Asphalt, and the composites have the excellent property of sound insulation; under the similar surface density, changes in the quantity of vermiculite and vermiculite content mainly influence sound reduction index of composites in the frequency region over 1250 Hz. Sound insulation performance of the composites decreases with the increasing surface density, which is mainly reflected in the frequency region from 200 to 2000 Hz.

asphalt; vermiculite; PVC; sound insulation; composite

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.09.013

2015-10-21

孫礦華(1988-)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事隔聲復(fù)合材料方面的研究。

姚躍飛，E-mail：yfyao@zstu.edu.cn

TU55+2

A

1673- 3851 (2016) 05- 0708- 05 引用頁碼： 090208