CN102501504B - 低密度高分子基隔声降噪材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低密度高分子基隔声降噪材料及其制备方法。该材料由两种不同的高分子材料或高分子复合材料以交替层状的结构叠合而成，存在大量的层状界面。通过加入无机填料和发泡剂的方法来调节两种不同的高分子材料或高分子复合材料的密度和模量，使它们的密度和模量具有较大的差值。其制备方法，将两种不同的高分子材料或高分子复合材料分别投入微层共挤装置的两台挤出机中，熔融塑化后，使两股熔体在分配器中叠合，经过n个倍增器的切割和叠合后，从出口模流出，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，得到2⁽ⁿ⁺¹⁾层的聚合物基交替层状隔声降噪材料，其中层状界面的数量为2⁽ⁿ⁺¹⁾-1。本发明利用微层共挤出技术和发泡工艺，结合交替层状结构对空气声波的反射、吸收等作用，有效地提高了基体材料的隔声性能和降低了材料的密度。本发明材料较传统隔声材料具有质轻、柔软和易于安装等特点，适用于高速列车、汽车、飞机和建筑物的隔声降噪。

Description

低密度高分子基隔声降噪材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及隔声降噪材料技术领域，更具体地说，本发明涉及具有交替层状结构的低密度高分子基隔声降噪材料及其制备，该材料具有较低的密度和优异的隔声降噪性能。

背景技术

随着现代工业、交通运输业和建筑业的飞速发展，噪声污染日益严重，其对环境的影响特别是对人类追求绿色生活的影响已经引起社会各界的关注，噪声污染的防治与控制已经成为目前全球关注的亟待解决的重大课题。减少噪声的第一步是对声源的控制，但由于在环境中声源的客观存在，人们主要着重于对噪声传播途径的控制以减少噪声对接受者的危害。因此，作为噪声控制工程领域中隔声构件的核心组成部分，不同的隔声材料被开发和设计。

隔声材料是指用来构成隔声结构的材料以用于隔绝空气中传播的声波，尽量减弱从结构背面入射的声波（透射波）强度。隔声材料的用途已非常广泛，如为了防止噪声从室外侵入，可用于外墙、屋顶结构和窗等部位；为了减轻噪声，可以作为隔声屏的掩蔽材料；可以用于有强大气流噪声的管道等的外衬材料。对于材料隔声性能的研究最初主要集中在建筑领域。Crocker在研究单层墙和双层墙的隔声特性时，应用统计能量分析的方法建立了隔声性能预测模型。Vinokur通过对墙体、楼板和窗户等的隔声测试，研究了影响构件隔声性能的一些因素，讨论了提高构件隔声性能的方法。Osipov等重点研究了建筑物间隔声构件的低频声传递损耗，发现测试构件的低频隔声性能不仅依赖于构件本身的性质，隔声体系的尺寸和形状对其性能也有重要影响。

传统的隔声材料为遵循质量定律通常是选择密实、质量较大的如钢、砖、混凝土结构等金属与无机材料，主要是通过较大的惯性声阻来减少声波的透射。但许多传统的隔声材料比较笨重，加工性能较差，生产成本较高等缺点大大限制了其应用范围。同时，随着现代技术与其它工业如汽车、高速列车、航空航天等的飞速发展，以及人们对生活环境和质量的要求越来越高，对于轻质、易加工成型、隔声性能较好的隔声材料的需求越加强烈。因此，高分子材料因其特殊的长链结构、较高的阻尼损耗因子、易于加工改性、质轻等特点正逐渐成为声学材料领域的研究热点。使用高分子材料代替传统重质隔声材料作为轻质隔声构件的基体已经成为噪声控制工程的重要组成部分。

但相比于大多数金属材料和无机材料，通用高分子材料的模量和面密度较低，其单独作为隔声材料使用时隔声性能较差。因此，须对高分子材料进行必要的结构设计和改性以提高其对声波的阻隔能力。

目前，高分子材料在隔声领域方面的应用主要集中在其与金属、无机材料的结构设计上。如在约束型隔声构件中，粘弹性高分子材料常用作隔声构件的中间层，利用高分子材料特殊的粘弹性、高阻尼与质轻等特点，即能把双层基板隔开以减弱共振频率区和吻合频率区的声能透射从而增加构件的隔声量又能有效的降低构件的质量。Kwan Han Yoon等研究了一系列聚氨酯材料作为构件阻尼层的阻尼性能和声传递损耗，研究发现声波在高分子材料中的能量损耗主要由材料的阻尼因子决定。在噪声的主动控制方面，Leif Kari研究发现粘弹高分子材料作为中间层能有效的减少声波的辐射。黄建国、郑辉等讨论了阻尼复合结构隔声性能和影响参数，并利用等效参数法对复合结构的隔声量进行了模拟，得到了阻尼复合结构的几何参数和物理参数对声传递损耗的影响规律。类似的“夹心”结构可以通过高分子材料的高阻尼特性减少声波的辐射以提高构件的隔声性能。

在此基础上，由不同材料构成的多层结构也被设计用于提高隔声构件的隔声性能。程言章等通过对固态多层介质隔声性能的研究，采用矩阵方法探讨在简谐平面波垂直入射的条件下任意多层介质的隔声性能，并通过实验方法讨论如何来设计性能良好的隔声结构。Yan-Min Kuo等利用3D模型模拟研究了不同纤维增强塑料多层材料的声传递损耗，通过数值分析与实验结果的比较发现构件的机械性能与声传播有密切的关系。Fringuellino等在不同层材料特性阻抗原理的基础上用一种简单的方法对多层构件的声传递损耗进行了评价。与此同时，一些典型的层状隔声构件的结构设计原理及隔声理论分析受到了更广泛的关注。

对高分子材料进行填充改性也是提高高分子材料隔声降噪性能的重要途径之一。浙江理工大学傅雅琴课题组主要研究了不同增强材料填充PVC复合材料的隔声性能，使用的增强材料包括玻璃纤维、铅纤维、废旧橡胶粉和钢渣等。实验结果显示，增强材料的细度、粒径、刚度和密度等对复合材料的隔声性能有较大的影响。同时，通过实验值与预测值的比较发现质量定律能较好的预测复合材料的隔声量。文庆珍等研究了损耗因子、材料厚度和填料对聚氨酯弹性体隔声性能的影响。实验结果表明，在相同频率下材料的损耗因子大，隔声性能好，而且片状填料的加入可以提高材料的隔声性能。梁基照等分析了玻璃微珠填充聚合物复合材料的隔声原理，指出其隔声效果的改善可归于粒子使声波多次折射、散射和绕射导致声波传播路径的增加，以及粘弹性的改变令声能消耗增大。Cai jun等采用无机超细粉体提高了PVC基体的隔声性能，并讨论了无机粉体含量及粒径分布等因素对复合材料隔声性能的影响。刘吉轩等研究一种高分子薄膜阻尼结构的相关参数对隔声量的影响关系，并采用统计能量分析方法估算了薄膜阻尼结构的隔声量，得到了一下对工程应用有指导意义的结果。Jae-Chul Lee通过研究发现添加一定量的碳纳米管（CNT）提高ABS/CNT复合材料隔声性能的主要原因是材料劲度的提高。同时，CNT的加入有利于声波能量的消耗和反射，也增加了复合材料的声传递损耗。J. Zha等制备了一种木质纤维/橡胶复合隔声材料，其隔声性能优于目前商业上的木质地板，胶粉含量、粒径和相形态等对材料隔声量的影响得到了研究。N. Hashimoto研究了一种轻质高分子薄膜结构的隔声性能，发现该膜结构的隔声原理不同于质量定律而主要由薄膜的振动运动决定。平面波在一种层状纳米复合材料中的传递损耗被研究，实验发现层状结构的优化能使声波在材料中的传递能量减弱。

综上所述，对高分子材料进行结构设计和填充改性均可以改善聚合物的隔声降噪性能。可以预见，将结构设计和填充改性有机结合起来，可以进一步提高材料的隔声降噪性能。

发明内容

通过大量的实验研究发现，均质高分子材料的隔声性能主要依赖于材料的面密度和劲度。通过加入一定量的填料能提高高分子复合材料对声波的传递损耗，但这种提高是有限的，同时可能导致材料的密度上升过快。

因此，本发明的目的是针对制备高分子基隔声降噪材料的现状而提供一种新的隔声材料及其制备方法，以解决现有技术的高分子基隔声材料难以获得高隔声值、密度较高、形态结构难以具有可设计等技术问题。

本发明的上述目的可通过具有以下技术方案的低密度高分子基隔声降噪材料来实现：低密度高分子基隔声降噪材料由两种不同的高分子材料或高分子基复合材料以交替层状的结构叠合而成，材料中存在至少一层连续的层状界面。

在上述技术方案中，所述两种不同的高分子材料或高分子基复合材料具有不同的密度和模量，两者的密度比大于1.2，模量比大于1.2。

在上述技术方案中，所述高分子基体为聚氯乙烯、聚烯烃、尼龙、聚氨酯、橡胶等，密度和模量通过在高分子基体中添加填料或发泡剂来调节。

在上述技术方案中，当使用填料或发泡剂时，需要在制备低密度高分子基隔声降噪材料之前将高分子基体和填料或发泡剂混合并造粒，必要时添加加工助剂（比如稳定剂、增塑剂、塑化剂、抗氧化剂、发泡助剂等）。

在上述技术方案中，所述填料为碳酸钙、云母、硫酸钡、二氧化硅、硅酸盐、玻璃纤维、碳纤维等密度大于2克/立方厘米的无机物中的一种，添加量为10-200份；所述发泡剂为偶氮二甲酰胺（AC）、偶氮二异丁腈（AIBN）、二亚硝基五次甲基四胺（DPT）和磺酰肼类发泡剂（OBSH）等中的一种或两种以上的混合物，添加量为0.2-5份，发泡剂发泡后形成的泡孔为开孔或闭孔。

制备上述技术方案所述高分子基隔声阻隔材料的方法，将两种不同的高分子材料或高分子基复合材料分别投入微层共挤装置的两台挤出机（A、B）中，熔融塑化后，使两股熔体在分配器(C)中叠合，经过n个倍增器（D）的切割和叠合后，从出口模（E）流出，再经过三辊压延机（F）的压制和牵引机（G）的牵引，得到2⁽ⁿ⁺¹⁾层的聚合物基交替层状隔声降噪材料，其中层状界面的数量为2⁽ⁿ⁺¹⁾-1。

在上述制备低密度高分子基隔声降噪材料的方法中，两种不同的高分子材料或高分子基复合材料的厚度比通过调整两台挤出机的转速比进行调整，从而进一步调节隔声降噪材料的密度和模量。

本发明公开的低密度高分子基隔声降噪材料，两种不同的高分子材料或高分子复合材料在挤出方向上均为连续相，形成若干规整的层状界面。由于两种材料具有较大的密度差和模量差，因此可以利用不同基质材料组成的多层隔声系统和不同材料对空气声波阻抗性能的差异来有效的增加声波在界面处的反射声波，从而起隔声降噪的作用，并且界面越多，声波反射的越多，隔声降噪性能越好。而且，发泡剂的存在使材料在制备过程中会产生泡孔，这些泡孔不仅提高了吸声性能，更重要的是降低了材料的密度。从而得到一种具有较低密度和较好隔声性能的新型结构隔声材料。

实验表明，采用本发明制备的高分子基隔声降噪材料较传统材料具有低频隔声性能优异、质轻、柔软、易于安装等特点，适用于高速列车、汽车、飞机、装修、建筑等行业使用。本发明具有如下优点：

1、本发明所涉及的设备简单易得，仅需将两台普通挤出机通过分配器联结，并在口模处加若干倍增器；所需原料均为市售，无须合成其他化学物。该方法具有简单易操作，生产成本低，效率高等特点。

2、通过本发明制备的高分子基隔声降噪材料，与传统方法制备的高分子基隔声降噪材料相比，具有特殊的交替层状结构和大量的层状界面，因此当声波传递到层状界面时会发生反射，而且不同的高分子材料或高分子复合材料的密度差和模量差较大，将有效地提高材料对声波的反射，得到一种隔声降噪性能优异的高分子基材料。

3、通过本发明制备的高分子基隔声降噪材料，与传统方法制备的高分子基隔声降噪材料相比，可以通过发泡来调节密度，得到一种密度较低的高分子基隔声降噪材料，这种材料特别适用于航天器、飞机、高速列车、汽车等具有轻质化要求的高速交通工具上。

4、可以通过改变倍增器的个数和挤出机转速比来控制低密度高分子基隔声降噪材料的层数和层厚比，从而可有效地调控其形态结构、密度和模量。

5、通过本发明制备的高分子基隔声降噪材料，与传统方法制备的高分子基隔声降噪材料相比，力学性能也有较大幅度提高。

本发明还具有其他方面的一些优点。

附图说明

图1为本发明所涉及的微层共挤装置的结构示意图。在图中，A, B: 挤出机, C: 分配器 ，D: 倍增器 ，E: 出口模，F:三辊压延机，G:牵引机。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。在以下各实施例中，各组分的用量均为重量用量。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明产生的积极效果可用实施例来进行说明。

实施例1

将聚氯乙烯（100份）与硫酸钡（100份）、增塑剂（20份）、稳定剂（6份）、塑化剂（3份）在挤出机里混合并造粒，得到物料A；将聚氯乙烯（100份）与增塑剂（50份）、稳定剂（6份）、塑化剂（3份）、AC发泡剂（1份）、纳米碳酸钙（6份）在挤出机里混合并造粒，造粒阶段控制温度不让发泡剂发泡，得到物料B。物料A和B分别投入微层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为2：1，挤出机各段温度控制在130-150℃之间，分配器、倍增器和出口模的温度均为170℃左右，保证发泡剂能在分配器、倍增器或出口模中发泡，使用3个倍增器，熔体经三辊压延机压延和牵引机牵引后，即制备得到16层的低密度聚氯乙烯基隔声降噪材料。该材料中不同组分的密度比为1.3，模量比为1.4，平均隔声量为30dB（声波频率为100-2500KHz），密度为0.9克/立方厘米，拉伸强度为25MPa，断裂伸长率为100%。作为比较，传统方法制备的高分子材料的平均隔声量为20dB（声波频率为100-2500KHz），密度为1.1克/立方厘米，拉伸强度为18MPa，断裂伸长率为23%。

实施例2

将聚氯乙烯（100份）与云母（150份）、增塑剂（30份）、稳定剂（5份）、塑化剂（3份）在挤出机里混合并造粒，得到物料A；将聚氯乙烯（100份）与增塑剂（60份）、稳定剂（6份）、塑化剂（3份）、AC发泡剂（1.5份）、纳米碳酸钙（8份）在挤出机里混合并造粒，造粒阶段控制温度不让发泡剂发泡，得到物料B。物料A和B分别投入微层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为1：1，挤出机各段温度控制在130-150℃之间，分配器、倍增器和出口模的温度均为170℃左右，保证发泡剂能在分配器、倍增器或出口模中发泡，使用4个倍增器，熔体经三辊压延机压延和牵引机牵引后，即制备得到32层的低密度聚氯乙烯基隔声降噪材料。该材料中不同组分的密度比为1.4，模量比为1.5，平均隔声量为35dB（声波频率为100-2500KHz），密度为1.1克/立方厘米，拉伸强度为30MPa，断裂伸长率为70%。作为比较，传统方法制备的高分子材料的平均隔声量为25dB（声波频率为100-2500KHz），密度为1.4克/立方厘米，拉伸强度为20MPa，断裂伸长率为15%。

实施例3

将尼龙6（100份）与玻璃纤维（100份）在挤出机里混合并造粒，得到尼龙6/玻璃纤维复合材料。尼龙6/玻璃纤维和尼龙6分别投入微层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为3：1，挤出机各段温度控制在160-250℃之间，分配器、倍增器和出口模的温度均为250℃左右，使用5个倍增器，熔体经三辊压延机压延和牵引机牵引后，即制备得到64层的低密度尼龙6基隔声降噪材料。该材料中不同组分的密度比为1.25，模量比为1.35，平均隔声量为28dB（声波频率为100-2500KHz），密度为1.5克/立方厘米。作为比较，传统方法制备的高分子材料的平均隔声量为20dB（声波频率为100-2500KHz），密度为1.5克/立方厘米。

实施例4

将聚乙烯（100份）与碳酸钙（50份）在挤出机里混合并造粒，得到物料A；将聚丙烯（100份）与AIBN发泡剂（1份）、DPT发泡剂（0.5份）、纳米碳酸钙（5份）在挤出机里混合并造粒，得到物料B。物料A和B分别投入微层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为1：2，挤出机各段温度控制在130-200℃之间，分配器、倍增器和出口模的温度均为200℃左右，使用4个倍增器，熔体经三辊压延机压延和牵引机牵引后，即制备得到32层的低密度聚合物基隔声降噪材料。该材料中不同组分的密度比为1.43，模量比为1.35，平均隔声量为25dB（声波频率为100-2500KHz），密度为0.7克/立方厘米。作为比较，传统方法制备的高分子材料的平均隔声量为16dB（声波频率为100-2500KHz），密度为0.9克/立方厘米。

实施例5

将聚氨酯（100份）与二氧化硅（80份）在挤出机里混合并造粒，得到物料A；将聚氨酯（100份）与OBSH发泡剂（2份）在挤出机里混合并造粒，得到物料B。物料A和B分别投入微层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为1：3，挤出机各段温度控制在150-220℃之间，分配器、倍增器和出口模的温度均为220℃左右，使用6个倍增器，熔体经三辊压延机压延和牵引机牵引后，即制备得到128层的低密度聚合物基隔声降噪材料。该材料中不同组分的密度比为1.38，模量比为1.42，平均隔声量为23dB（声波频率为100-2500KHz），密度为0.6克/立方厘米。作为比较，传统方法制备的高分子材料的平均隔声量为18dB（声波频率为100-2500KHz），密度为0.9克/立方厘米。

Claims (4)

1. 一种低密度高分子基隔声降噪材料，由两种不同的高分子材料或高分子基复合材料以交替层状的结构叠合而成，其特征在于该低密度高分子基隔声降噪材料：

(1)选用低密度的聚氯乙烯、聚烯烃、尼龙、聚氨酯或橡胶为高分子基体；

(2)利用在上述高分子基体中添加填料或/和发泡剂的方法，形成两种密度比大于1.2、模量比大于1.2的高分子材料或高分子基复合材料；

(3)再将上述两种不同的高分子材料或高分子基复合材料分别投入由挤出机、分配器、倍增器、口模、三辊压延机和牵引机构成的微层共挤装置的两台挤出机（A、B）中，熔融塑化后，两股熔体在分配器(C)中叠合，经过n个倍增器（D）的切割和叠合后，从出口模（E）流出，再经过三辊压延机（F）的压制和牵引机（G）的牵引而制得；得到呈2⁽ⁿ⁺¹⁾层的聚合物基交替层状结构的低密度高分子基隔声降噪材料，其中层状界面的数量为2⁽ⁿ⁺¹⁾-1；当n为0时，材料中存在至少一层连续的层状界面；

(4)所得到的低密度高分子基隔声降噪材料具有在层状界面处反射声波的功能。

2.根据权利要求1所述低密度高分子基隔声降噪材料，其特征在于在添加填料或发泡剂时，需要在制备低密度高分子基隔声降噪材料之前将高分子基体和填料或发泡剂混合并造粒，必要时添加加工助剂。

3.根据权利要求1所述低密度高分子基隔声降噪材料，其特征是所添加的填料为密度大于2克/立方厘米的碳酸钙、云母、硫酸钡、二氧化硅、硅酸盐、玻璃纤维和碳纤维中的一种，添加量为高分子基体材料重量的10-200％；所添加的发泡剂为偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、二亚硝基五次甲基四胺和磺酰肼类发泡剂中的一种或两种以上的混合物，添加量为高分子基材料重量的0.2-5％，发泡剂发泡后形成的泡孔为开孔或闭孔。

4.根据权利要求1、2或3所述低密度高分子基隔声降噪材料，其特征在于该低密度高分子基隔声降噪材料中的两种不同的高分子材料或高分子基复合材料的厚度比通过调节两台挤出机的转速比进行调整，从而进一步调节隔声降噪材料的密度和模量。

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