硅藻土/聚丙烯復合材料的吸聲性能研究

公晉芳

(許昌職業技術學院， 河南 許昌 461000)

噪聲污染已經成為世界性難題.噪聲污染來源廣，對人的身體和精神都有極大的不良影響，國際上將噪聲污染列為世界三大環境污染之一，研究高效吸聲材料已成為吸聲科研人員研究的熱點[1-2].

硅藻土是一種天然材料，不含有害化學物質，具有硅藻殼體結構、強吸附性、高孔隙度及耐高溫等優良性質，已被廣泛應用于化工、建材等眾多工業領域.許多以硅藻土為原料的新型室內外裝修材料越來越受到消費者的青睞；同時，硅藻土的多孔性和較大的吸附能力又使其成為吸聲材料的可能選擇[3-5].聚丙烯是一種新型熱塑性高分子材料，性能優異，具有高強度、低摩擦系數和容易加工等優點，應用前景廣泛，但其具有塑料的普遍弊病，如使用溫度范圍窄、易老化等，從而限制了聚丙烯的進一步應用[6].陳瑩[7]和汪廣恒等[8]將硅藻土作為增強相來提高聚氨酯硬泡的力學性能；梁基照等[9]在聚丙烯中添加了硅藻土，經過測試后發現該復合材料的整體強度得到了提高.

多孔吸聲材料是聲波通過微孔的過程中,利用摩擦和黏滯力的作用,將聲能轉化成為熱能,從而達到吸聲的目的[10].基于此，本工作擬采用硅藻土、可溶性NaCl、聚丙烯、發泡劑、開孔劑為原料，制備具有一定壓縮性能的硅藻土/聚丙烯復合吸聲材料，并對該復合材料的組織形貌、壓縮性能和吸聲性能進行觀察分析.

1 試驗

1.1 試驗材料與設備

原材料：宜興市君聯有限公司一級硅藻土，其化學組成(質量分數)為SiO2(83.84%)、Al2O3(6.02%)、Fe2O3(2.27%)、CaO(0.56%)和MgO(0.29%)，堆積密度0.35g/cm3，孔容積0.45mL/g，比表面積19.1m2/g，孔徑50～800nm；北京燕山鑫天澤化工有限公司生產的4220聚丙烯，密度0.92g/cm3，吸水率(質量分數)為0.01%；江蘇索普有限公司生產的141B發泡劑(分析純)；NaCl(分析純)；廣州吉盛科技實業有限公司生產的KEM-349脫模劑(分析純).

試驗設備：上海電子天平儀器銷售中心AE200型電子天平，德國科爾蔡司公司的JSM-5600LV型掃描電鏡，南京杰亞擠出裝備有限公司的SY-6217-A型雙螺桿擠出造粒機，創宏儀器設備有限公司的CH-0203型平板硫化機，一諾世紀試驗儀器有限公司的WDW-200型電子萬能試驗機，上海恒鼎設備廠HDHWHS-50型恒溫恒濕試驗箱，杭州愛華儀器有限公司AWA8551T型傳遞函數阻抗管吸聲測試系統.

1.2 試驗方法

硅藻土/聚丙烯復合材料的基本配比(質量份數，下同)為：硅藻土20～40份、聚丙烯60份、NaCl 10～20份、開孔劑2份和發泡劑20份.按上述配比稱量各原材料，并放在瑪瑙研缽中手工干混30min，然后將混合均勻的物料放入雙螺桿擠出機中進行擠出造粒，再將擠出顆粒在恒溫恒濕試驗箱中進行90℃干燥處理，4h后放入成型模具內，采用平板硫化機在170～180℃下壓制成型，制備成300mm×300mm×150mm的硅藻土/聚丙烯復合吸聲材料樣品.

1.3 樣品性能表征方法

根據原材料的不同配比和不同合成工藝，共制備了9個樣品.通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的微觀形貌，采用萬能試驗機測試材料的壓縮性能，采用傳遞函數阻抗管吸聲測試系統按GB/T 18696.2—2002(ISO 10534-2：1998)《聲學 阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量 第2部分 傳遞函數法》測試樣品的吸聲性能.

2 試驗結果與討論

2.1 硅藻土/聚丙烯復合材料組織形貌分析

圖1是硅藻土/聚丙烯復合材料組織形貌圖.合成工藝為：硅藻土20～40份、聚丙烯60份、NaCl 15份、開孔劑2份和發泡劑20份，發泡時間(t)為15min，發泡溫度(θ)為175℃，共制備3個樣品.當復合材料中硅藻土質量份數為20份時，觀察圖1(a)發現，復合材料組織顆粒呈不規則狀，粒度約為5～11μm，孔隙率較低且孔徑大小不一.當硅藻土質量份數為30份時，如圖1(b)所示，復合材料組織孔隙率較大且孔徑大小不均，此時復合材料的多孔性最佳，從吸聲角度分析，聲波通過這些微小孔洞時極有可能發生衍射，孔道中的空氣與孔隙孔壁產生充分的摩擦，損耗大量聲能而達到吸聲的目的[11].當硅藻土質量份數增至40份時，復合材料的孔隙率降低，孔徑大小不一且內部發生團聚.原因是隨著復合材料中硅藻土質量份數的增加，聚丙烯在其中的含量會相對減少，而復合材料中的孔隙多來自于聚丙烯，從而致使復合材料的孔隙率降低；另外，硅藻土質量份數增加過多時，會使復合材料內部發生團聚.

圖1 硅藻土質量份數對復合材料組織結構的影響Fig.1 Influence of diatomite portion on the microstructure of the composite materials

2.2 硅藻土/聚丙烯復合材料的抗壓強度及彈性模量分析

抗壓強度和彈性模量是衡量多孔材料性能好壞的重要指標.為了研究發泡溫度θ和發泡時間t對復合材料樣品抗壓強度和彈性模量的影響，設計樣品合成工藝為：硅藻土30份、聚丙烯60份、NaCl 15份、開孔劑2份和發泡劑20份，發泡時間為12～18min，發泡溫度為170～180℃，共有5個樣品.圖2是不同發泡時間下，發泡溫度對硅藻土/聚丙烯復合材料抗壓強度和彈性模量的影響曲線.由圖2(a)可見，硅藻土/聚丙烯復合材料的抗壓強度整體變化趨勢是隨著發泡溫度的增加而增加.原因是發泡溫度升高，會增大復合材料內部組織的結合力及韌性，進而增大其斷裂強度[12]；同時，提高發泡溫度又會促進聚丙烯發泡的均勻性，提高硅藻土與聚丙烯的相容性和界面黏結，使硅藻土顆粒在聚丙烯中均勻分布，應力能更好地傳遞給無機粒子，最終提高復合材料的強度.另外，在其他合成工藝相同的條件下，發泡時間為15min時，復合材料的抗壓強度比較理想，要高于發泡時間為12，18min時的抗壓強度，此時，硅藻土/聚丙烯復合材料的平面受冷收縮面減小，抗壓強度較高，當發泡溫度為180℃時，復合材料的抗壓強度可達12.4MPa.由圖2(b)可見，硅藻土/聚丙烯復合材料的彈性模量整體變化趨勢是隨著發泡溫度增加呈現先增大而后減小的趨勢，其中突變溫度為175℃.當發泡溫度從170℃升至175℃ 時，復合材料的彈性模量增加較為明顯，當發泡溫度為175℃時，發泡時間為15min的復合材料彈性模量為0.38GPa.當發泡溫度從175℃升至180℃時，復合材料的彈性模量開始下降.原因是在一定溫度范圍內，發泡溫度越高，硅藻土與聚丙烯結合的效果越明顯，超出該溫度范圍后，多孔材料內部會過分發泡，出現并泡，造成孔道泡孔分布不均，致使復合材料的彈性模量出現較為明顯的降低.

圖2 發泡溫度對復合材料抗壓強度及彈性模量的影響Fig.2 Influence of foam temperature on the compressive strength and elastic modulus of the composite materials

2.3 硅藻土/聚丙烯復合材料的吸聲系數分析

為討論硅藻土和NaCl質量份數對硅藻土/聚丙烯復合材料吸聲系數的影響，設計了以下樣品合成工藝：硅藻土20～40份、聚丙烯60份、NaCl 10～20份、開孔劑2份和發泡劑20份，發泡時間為15min，發泡溫度為175℃，共有5個樣品.大多數多孔材料都具備吸聲能力，一般把平均吸聲系數大于0.20的材料稱為吸聲材料，平均吸聲系數大于0.56的材料稱為高效吸聲材料[13].本研究將吸聲系數曲線上吸聲系數大于0.56的頻率稱之為高效吸聲頻率，其范圍為高效吸聲頻率寬度，單位為Hz，用來研究復合材料的高效吸聲性能.

圖3是硅藻土和NaCl質量份數對復合材料吸聲系數的影響曲線.由圖3(a)可見(此時NaCl質量份數固定為15份)，當硅藻土質量份數為20份時，復合材料的吸聲系數隨著聲音頻率f的增加呈現先增大后減小的趨勢，復合材料吸聲系數的最大值為0.72，其吸聲峰位于1000Hz左右，平均吸聲系數為0.45；當硅藻土質量份數增至30份時，在2000Hz處其吸聲系數達到最大值0.85，平均吸聲系數為0.52，且高效吸聲頻率寬度超過了2000Hz，說明在這種配比下，硅藻土與聚丙烯的復合能增加硅藻土的開孔率，保證硅藻土的原孔隙與聚丙烯孔隙之間的連通，增加孔隙通道長度，使孔隙多樣化，從而對復合材料的吸聲有利.當硅藻土質量份數增至40份時，復合材料的吸聲性能有所下降，原因是此時復合材料的孔隙率有所降低，并且發泡不完全，甚至出現硅藻土的孔隙被聚丙烯填充的現象，因而使其平均吸聲系數降為0.46.上述分析結果與圖1觀察結果一致.由圖3(b)可見(此時硅藻土質量份數固定為30份)，不同NaCl質量份數的復合材料吸聲系數整體變化規律是隨著聲音頻率f的增加呈現先增大后減小的趨勢.當NaCl質量份數從10份增至15份時，復合材料的吸聲性能提高明顯，其吸聲系數最大值達到0.83，平均吸聲系數也從0.38增加到0.50.原因為在復合材料壓模成型過程中，NaCl為立方晶體結構，在多孔復合材料發泡過程中自身的晶體結構占據著中間泡孔的位置，而在后期合成過程中，NaCl溶解并溢出，產生孔隙，進而提高了高效吸聲頻率寬度，使其吸聲系數得以提高[14].當NaCl質量份數增至20份時，不但會影響復合材料內部的結合力，而且還會影響發泡的進行和孔隙的分布，降低復合材料的吸聲性能.

復合材料的吸聲機理應為薄板振動和多孔吸聲兩者的結合，在聲波激勵下薄板產生振動變形，以此來達到消耗聲能的效果；復合材料內部所形成的孔隙并不相同，在聲波作用下，孔徑中的空氣柱就像活塞一樣往復運動，孔徑突變處振動的空氣由于摩擦而受到阻滯，使部分聲能轉化為熱能[15]，主要對中低頻聲波起到一定的吸聲作用；此外，聲波通過復合材料的大量微小孔道時極有可能發生衍射，孔道中的空氣與孔隙孔壁產生充分的摩擦，損耗大量聲能，從而使聲波衰減，主要對中高頻聲波起到一定的吸聲作用.

圖3 硅藻土和NaCl質量份數對復合材料吸聲系數的影響曲線Fig.3 Influence of diatomite portion and NaCl portion on the sound absorption coefficient of the composite materials

3 結論

以硅藻土、可溶性NaCl、聚丙烯、發泡劑、開孔劑為原料，成功制備出性能優異的硅藻土/聚丙烯復合吸聲建筑材料.合成條件和原料配比影響著復合材料的抗壓強度和吸聲性能，復合材料組合了薄板振動和多孔吸聲的吸聲機制.在最佳配比(硅藻土30份、聚丙烯60份、NaCl 15份、開孔劑2份和發泡劑20份)下，復合材料的最大吸聲系數為0.85，其高效吸聲頻率寬度超過2000Hz.該復合材料具有較好的吸聲性能，將其應用于新型環保室內裝飾材料，會減少噪音污染對人們的傷害.