發泡工藝和發泡劑用量對丁基橡膠發泡材料阻尼吸聲性能的影響

歐陽文宜，劉 松，姚 楚，曹果果，游 峰，江學良

（武漢工程大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205）

目前，工業生產、交通運輸以及社會生活等帶來的振動噪聲污染日趨嚴重，會造成神經衰弱、失眠、頭痛等神經官能癥，嚴重影響人類健康，已成為世界范圍內的主要環境問題之一[1-2]。因此，開發高性能的阻尼吸聲材料具有重要的意義。

高分子材料由于其密度小、易成型，已成為阻尼吸聲材料領域研究的重點[3-5]。橡膠材料作為一種重要的高分子材料，具有內耗大、阻尼性能好等特點，而且可以加入無機納米粒子或者通過發泡成型等方式有效地控制其聲學特性，是一種理想的阻尼吸聲材料[6-8]。錢軍民等[9]利用巖棉改性乙丙橡膠與聚氯乙烯共混來制備發泡復合材料，研究發現該復合材料的平均吸聲系數較高（＞0.5），而且其低頻吸聲性能優于普通的多孔型吸聲材料。黃勇[10]利用溶膠-凝膠法，以十六烷基三甲基溴化銨為模板劑，制備了內部含有大量孔隙且孔徑可調（1.87～5.56 nm）的二氧化硅，然后以制得的介孔二氧化硅為填料，制備了1 000～5 000 Hz頻率范圍吸聲的硅橡膠材料，研究發現介孔二氧化硅含量及其內部孔徑尺寸對硅橡膠吸聲性能有較大影響。X.Y.Zhao等[11]以受阻酚為填料、丁腈橡膠為基體，制備了一種高阻尼復合材料，研究發現受阻酚由結晶態轉變為無定形態，進而在丁腈橡膠基體中富集，在受阻酚分子之間和受阻酚與丁腈橡膠分子之間形成了很多氫鍵。除了丁腈橡膠的玻璃化轉變外，隨著復合材料體系中分子間氫鍵的解離，材料還呈現出兩次異常的松弛過程，從而使得復合材料具有很高的阻尼性能。

本工作以偶氮二甲酰胺（AC）為發泡劑、丁基橡膠為基體，制備丁基橡膠發泡材料，考察硫化時間、硫化溫度以及發泡劑AC用量對丁基橡膠發泡材料阻尼性能和吸聲性能的影響，并結合材料微觀形貌的分析，研究合適的丁基橡膠發泡材料成型配方和工藝。

1 實驗

1.1 主要原材料

丁基橡膠，牌號1751，中國石化集團北京燕山石油化工有限公司產品；發泡劑AC，上海伏瑞合化工有限公司產品。

1.2 試驗配方

丁基橡膠 100，炭黑 30，氧化鋅 6，硬脂酸 1.5，防老劑4010 2，硫黃 1.5，促進劑DM 2，促進劑CZ 1，發泡劑AC 變量。

1.3 試樣制備

將丁基橡膠在蘇州市弗仕瑞經貿有限公司購買的2XB型雙輥開煉機上薄通包輥，然后依次加入炭黑、氧化鋅、硬脂酸、促進劑DM、促進劑CZ、防老劑4010、發泡劑AC，薄通10次后得混煉膠。混煉膠在浙江湖州東方機械有限公司生產的平板硫化機上以不同溫度和時間發泡成型。

1.4 測試分析

采用美國TA公司的Q800型動態力學分析儀按照GB/T 18258—2000進行測試材料阻尼性能：將試樣裁成20 mm×5 mm×1 mm條狀，采用拉伸模式，控制應變為0.01%，溫度范圍為-100～+50℃，升溫速率為3 ℃·min-1，頻率為10 Hz；采用JTZB吸聲系數測試系統對材料的吸聲性能進行測試：將吸聲試樣裁剪成底面直徑為100 mm、厚度為20 mm的圓柱狀試樣，使用1/3倍頻程，測試材料在200～2 000 Hz頻率范圍內的吸聲系數；將試樣置于液氮中浸泡30 min后取出，快速脆斷，斷面噴金后，采用日本JEOL公司的Hitachi S-530型掃描電子顯微鏡（SEM）對填料的分散情況、泡孔分布、孔徑大小等進行觀察。

2 結果與討論

2.1 硫化工藝對丁基橡膠發泡材料阻尼性能的影響

在硫化溫度為165 ℃和發泡劑AC用量為6份的條件下，硫化時間對發泡丁基橡膠阻尼性能的影響如圖1所示。G′為儲能模量，tanδ為損耗因子。

從圖1（a）可以看出，硫化時間為15 min時，發泡丁基橡膠有最大的G′，在其他硫化時間下，G′相差不大。從圖1（b）可以看出，硫化時間對發泡丁基橡膠阻尼性能有一定的影響，在溫度為-25 ℃時，有最大tanδ，有效阻尼溫域為-65～+20 ℃，在-45 ℃處有一肩峰，為丁基橡膠特有的液-液轉變峰，不同硫化時間下的有效阻尼溫域相差不大，但大小不一，由大到小所對應的硫化時間分別為30，35，25，20，15 min。硫化時間為15 min時，發泡丁基橡膠的tanδ最低，20 min時tanδ略高，25與35 min時均有較高的tanδ，30 min時有最大tanδ，其值為1.44。這是因為當能量通過小而密集的泡孔時有更大的損耗，硫化時間15 min時，產生的泡孔太少，能量損耗較小，阻尼性能較差；硫化時間為20 min時，泡孔太大，能量損耗也較小，而硫化時間為30 min時，產生的泡孔小而密集，能量通過時，會通過與孔壁的摩擦、波形轉換、弛豫作用等產生較大的內耗，阻尼性能提高。

圖1 硫化時間對丁基橡膠發泡材料阻尼性能的影響

在硫化時間為30 min和發泡劑AC用量為6份的條件下，硫化溫度對發泡丁基橡膠阻尼性能的影響如圖2所示。

從圖2（a）可以看出：硫化溫度為160 ℃時，發泡丁基橡膠有最高的G′；硫化溫度為170和155 ℃時，G′較低；硫化溫度為165和175 ℃時，G′最低。從圖2（b）可以看出，硫化溫度為160 ℃時，有著最高的tanδ，其值為1.491，但在整個有效阻尼溫域內，其tanδ都比硫化溫度為165 ℃時小一些，且硫化溫度為165 ℃時發泡丁基橡膠的最大tanδ值為1.44，比硫化溫度為160 ℃的略小，故硫化溫度為165 ℃時，發泡丁基橡膠有著最佳的阻尼性能。產生這種現象是因為硫化溫度為170和175 ℃時，發泡劑大量分解，產生的氣壓太大，破壞了大部分交聯鍵，會有大量的泡孔坍塌，產生并孔現象，形成很多有缺陷的泡孔，進一步降低了阻尼性能。硫化溫度為155 ℃時，發泡劑分解速度又太低，氣壓不足以破壞交聯鍵，產生的泡孔較少，能量損耗也較小。而硫化溫度為160和165 ℃時，發泡劑分解速度達到一定程度，而且與丁基橡膠硫化速度達到了動態平衡，此時產生較多孔徑較均勻的泡孔，能量通過時，會有較大的損耗，阻尼性能也進一步提升。

圖2 硫化溫度對丁基橡膠發泡材料阻尼性能的影響

2.2 硫化工藝對丁基橡膠發泡材料吸聲性能的影響

硫化工藝對發泡丁基橡膠吸聲性能的影響如圖3所示。

圖3 硫化工藝對丁基橡膠發泡材料吸聲性能的影響

從圖3（a）可以看出，在160 ℃的硫化溫度下，硫化50 min時發泡丁基橡膠有著最高的吸聲性能，在400 Hz時獲得最大吸聲系數（0.32）；硫化時間為40 min時發泡丁基橡膠的吸聲性能較差，硫化時間為60 min時發泡丁基橡膠的吸聲性能最差。這是由于吸聲件較厚，傳熱需要一定的時間，硫化時間為40 min時，熱量傳遞到丁基橡膠內部中心區域時，硫化發泡時間較短，還沒有發泡完全就開始降溫到室溫，內部發泡不足，發泡效果不佳，吸聲性能較差。硫化時間為60 min時，此時交聯大部分處于過硫化期，硫化速率已開始下降，而發泡劑大量分解，產生的氣體完全破壞了交聯，導致丁基橡膠內部泡孔坍塌，出模后，內部將會有鼓泡現象，外部也會開裂，最后發泡丁基橡膠形貌不完整，吸聲效果較差。而硫化時間為50 min時，外部的熱量傳遞到內部后，有充足的時間硫化發泡，不至于產生嚴重的過硫化現象，此時形成的發泡丁基橡膠表面形貌完整，內部泡孔較均勻，吸聲性能較好。

從圖3（b）可以看出，在165 ℃的硫化溫度下，硫化40 min后再保壓冷卻到室溫時制備的發泡丁基橡膠有著最佳的吸聲性能，在400 Hz時獲得最大吸聲系數（0.24）；硫化50和60 min時發泡丁基橡膠的吸聲性能很差。這是由于硫化溫度為165 ℃時，硫化時間為50 min的丁基橡膠絕大部分已經過硫化，導致吸聲性能明顯下降。比較圖3（a）和（b）可知，在160 ℃下硫化50 min后保壓冷卻的發泡丁基橡膠的吸聲性能優于在165 ℃下硫化40 min保壓冷卻的吸聲性能，這說明對發泡丁基橡膠吸聲材料而言，低溫、長時間硫化制備工藝比高溫、短時間硫化制備工藝更好。

2.3 發泡劑用量對丁基橡膠發泡材料阻尼性能的影響

在硫化溫度為160 ℃和硫化時間為50 min的條件下，發泡劑用量對發泡丁基橡膠阻尼性能的影響如圖4所示。

圖4 發泡劑用量對丁基橡膠發泡材料阻尼性能的影響

從圖4（a）可以看出，發泡丁基橡膠的G′明顯降低，這說明發泡丁基橡膠儲存彈性形變的能力減小，即受外力時形變量增大。這是由于發泡丁基橡膠內部含有較多的泡孔，分子運動所受阻礙變小，即便在低溫下依然能保持一定的運動能力，因此在外加負荷一定的情況下能產生更大的形變，從而使G′降低。

從圖4（b）可以看出，發泡丁基橡膠的阻尼性能有著極大的提升，這是由于發泡丁基橡膠內部含有較多的泡孔，當能量通過時，會與泡孔壁產生摩擦，有著更大的內耗，從而提高了其阻尼性能。隨著發泡劑用量的增大，發泡丁基橡膠的阻尼性能逐漸降低。這是由于當發泡劑用量較小時，發氣量不是很大，產生的泡孔較小且為閉孔，隨著發泡劑用量的增大，泡孔逐漸變多，且泡孔逐漸由閉孔變成開孔，繼續增大發泡劑用量，將產生并孔現象，形成較大的開孔。

2.4 發泡劑用量對丁基橡膠發泡材料吸聲性能的影響

發泡劑用量對發泡丁基橡膠吸聲性能的影響如圖5所示（硫化條件為160 ℃×50 min）。

圖5 發泡劑用量對丁基橡膠發泡材料吸聲性能的影響

從圖5可知，發泡丁基橡膠的吸聲性能有很大的提高，且隨著發泡劑用量的增大，其吸聲性能也不斷提高。在頻率為630 Hz時，有最大吸聲系數（0.48），此時發泡劑用量為12份；發泡劑用量分別為15和9份時，在400 Hz的頻率下有最大吸聲系數，分別為0.43和0.41。由于吸聲件較厚，當發泡劑用量在9份以上時，在硫化過程中發泡劑大量分解，發氣量過大，即使通過保壓冷卻的方法，依然得不到表面形貌完整、內部泡孔均勻的發泡丁基橡膠，脫模后的發泡丁基橡膠表面總是會大面積開裂，甚至會從中間爆裂開，導致測試結果出現較大誤差。故最后使用6份發泡劑，此時發泡丁基橡膠表面形貌完整，內部結構完好，不會發生開裂現象，此時在400 Hz的頻率下有最大吸聲系數（0.32）。后期可以嘗試不同的硫化成型方式，以消除發泡劑用過大時發泡丁基橡膠表面不完整的現象。

2.5 發泡劑用量對丁基橡膠發泡材料微觀形貌的影響

不同發泡劑用量下2 mm厚發泡丁基橡膠的SEM照片如圖6所示。

從圖6可以看出：發泡劑用量為3份時，泡孔比較少，且大多為閉孔；當發泡劑用量達到6份時，泡孔少而密集，且多為閉孔；隨著發泡劑用量的繼續增大，泡孔繼續增多，且逐漸由閉孔轉變為開孔；當發泡劑用量為9份時，已經大多是混合孔；當發泡劑用量為12份時，發生了嚴重的并孔、泡孔坍塌現象，形成較多較大的開孔結構；當發泡劑用量為15份時，此時泡孔較密集，泡孔形態不均勻，產生并孔現象。這是發泡劑分解產生的氣體量不同所帶來的影響。

圖6 不同發泡劑用量下2 mm厚發泡丁基橡膠的SEM照片

3 結論

（1）在165 ℃下硫化30 min時，發泡丁基橡膠有著最佳的阻尼性能，在-25 ℃時達最大tanδ值1.44；在160 ℃下硫化50 min后再保壓冷卻到室溫時，發泡丁基橡膠有最佳的吸聲性能，在400 Hz時獲得最大吸聲系數0.32。

（2）發泡丁基橡膠的阻尼性能有著明顯的提高，當發泡劑用量較小時材料阻尼性能較好；發泡丁基橡膠的吸聲性能也有著顯著的提升，當發泡劑用量為6份時，得到的泡孔少而密集，且多為閉孔結構，材料吸聲性能較好。