CN107880428B - 低密度、柔性高分子基发泡隔声材料及其制备方法 - Google Patents

低密度、柔性高分子基发泡隔声材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低密度、柔性高分子基发泡隔声材料及其制备方法。该方法先将高分子基体、助剂、片状形态的无机填料、发泡剂等混合塑化后，再制备成发泡片材。该材料具有较高的发泡倍率，使其密度很低；选用低玻璃化温度的高分子基体使其具有极佳的柔性。该材料结构上的显著特点是，发泡过程中片状填料沿着泡孔壁切线方向取向排列，形成了一道声波传播的屏障，因而提高了隔声性能。本发明通过较少的填料加入就能很好的提高隔声性能，相比传统高分子基隔声材料，具有极低的密度和良好的柔性，适用于交通、建筑、航天等领域的噪音控制。

Description

低密度、柔性高分子基发泡隔声材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子基发泡复合材料制备领域，具体涉及一种低密度、柔性高分子基发泡隔声材料及其制备方法。
背景技术
交通运输业和建筑业的飞速发展给人们带来了极大的便利，同时也带来了严重的噪音污染。隔声材料的设计与开发在噪音控制领域得到了广泛关注。出于对环保、节能和应对不同使用场合的考虑，具有质轻和柔软特性的隔声材料更受亲睐。高分子材料由于成本低、易成型加工、质轻等优势，逐渐取代金属及无机非金属等传统隔声材料，成为了研究的热点。
高分子材料的密度和模量较低，根据隔声质量定律和劲度定律，其单独使用时隔声性能较差，须对高分子材料进行改性以提高其隔声性能。目前，高分子材料隔声改性方法有如下两种：一是填料填充改性法，将密度较大的无机填料如硫酸钡、碳酸钙、铁粉等加入到高分子材料中，通过提高高分子材料的密度和弹性模量来提高其隔声性能。但该方法会破坏高分子材料质轻和柔软的特性，使其使用受到限制；二是结构设计改性法，通过不同材料的组合设计得到多层结构，如在硬质塑料层中间夹一层发泡橡胶，通过层间阻抗失配使声波受到来回反射而损耗，提高了隔声性能，并有效保持了材料的低密度的特性。但该方法中的多层材料制备过程较为繁琐，且外层材料通常硬度很高，限制了其使用范围。
高分子基发泡材料具有极低的密度和良好的柔性，但由于其极低的密度和模量，很少将其单独作为隔声材料使用，通常是通过结构设计与其他材料构成复合隔声结构。若能将发泡材料单独作为隔声材料使用，将充分发挥发泡材料的质轻和柔软的优点。已有研究表明，填料填充的高分子基发泡材料中，泡孔生长过程会使填料沿泡孔壁切线方向取向排列，发泡倍率越高，填料取向现象越明显。由于无机填料具有较大的特性阻抗，声波传播到填料表面时，大部分声波会被反射，取向的填料形成了一道声波传播的屏障，而进入泡孔中的部分声波也会在泡孔内部被反复反射而吸收。因此，可以预见在高分子基发泡材料中填料的这种取向行为将会提高其隔声性能，而泡孔结构也将赋予材料质轻和柔软的性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有高分子基隔声材料的制备现状，提出一种高分子基发泡隔声材料及其制备方法，以解决现有高分子基隔声材料无法兼具低密度、柔性和高隔声性能的问题。
为实现上述目的，本发明采用的以下技术方案：对高分子/填料共混料进行发泡成型，填料在该发泡材料中有着特殊的排列方式，填料在泡孔壁中沿着泡孔壁切线方向取向排列。这样的结构将对声波的传递起到如图1所示的阻碍作用：无机填料具有较大的特性阻抗，声波传播到填料表面时，大部分声波会被反射，取向的填料形成了一道声波传播的屏障，而进入泡孔中的部分声波也会在泡孔内部被反复反射，一部分声波被吸收，一部分声波被泡孔壁和片状填料再次反射，一部分声波透射；从而极大的提高材料的隔声性能。
上述技术方案中，所述的高分子基体为软质聚氯乙烯、聚氨酯、低密度聚乙烯、橡胶软质等柔性高分子材料。
上述技术方案中，所述的填料都具有二维片状形态，选自云母、氮化硼、粘土、石墨中的一种或几种，填料添加量为5~30%，优选的填料含量为10~20%。
上述技术方案中，发泡成型用到的发泡剂为偶氮二甲酰胺（AC）、苯磺酰肼发泡剂（OBSH）、二亚硝基五亚甲基四胺（发泡剂H）、膨胀微球中的一种，添加量为1~5%。
上述技术方案中，得到的发泡隔声材料的发泡倍率在2.5倍以上，泡孔密度达到106个/cm3以上。
上述技术方案中，得到的发泡隔声材料具有很好的柔性，其硬度（邵氏A型）为30~70。
制备上述技术方案中所述的高分子基发泡隔声材料的方法，将高分子基体、填料、发泡剂、其他助剂通过双辊开炼机在一定温度下共混获得高分子/填料共混料。所得共混料经过模压发泡成型或挤出发泡成型得到低密度、柔性高分子基发泡隔声材料。
在上述制备低密度、柔性高分子基发泡隔声材料的方法中，双辊开炼机的加工温度低于发泡剂的分解温度、高于材料加工温度，具体与所用高分子基体及发泡剂种类有关。如对于软质聚氯乙烯，此温度是140 °C；对于三元乙丙橡胶则是100°C。
发泡过程中，气泡生长过程会对高分子熔体产生双轴拉伸作用，这种作用传递到填料上，会使填料沿着泡孔壁的切线方向取向。发泡倍率越大，气泡生长对熔体的双轴拉伸作用越强，填料的取向效果越明显，其过程如图2所示。
本发明中材料的隔声性能依据GB/Z 27764-2001《声学 阻抗管中传声损失的测量传递矩阵法》来进行测试，样品直径60 mm，测试频率为100~2500 Hz。
本发明提供的低密度、柔性高分子基发泡隔声材料，具有较大的发泡倍率，泡孔间的挤压作用使泡孔截面呈多边形结构，泡孔壁中的片状填料沿着泡孔壁切线方向取向排列。无机填料具有较大的特性阻抗，声波传播到填料表面时，大部分声波会被反射，取向的填料形成了一道声波传播的屏障。而进入泡孔中的部分声波也会在泡孔内部被反复反射而吸收。填料的这种特殊排列方式提高了材料的隔声性能。而泡孔的存在又使得材料保持了较低的密度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明通过对配方、工艺条件的控制，得到了一种填料沿泡孔壁切线方向取向排列的软质发泡材料。通过片状填料的取向排列，形成了声波传播的屏障，阻碍了声波的向前传递，提高了隔声性能。通过这种方法得到的发泡隔声材料，较低的填料添加量就能极大的提高材料的隔声性能。由于泡孔结构的存在和填料的低含量，材料保持了较低的密度。通过选择玻璃化温度较低的高分子基体，使材料具有了良好的柔性。本发明克服了传统高分子基隔声材料无法兼具低密度、柔性和高隔声性能的难题。具体来说，本发明采用具有二维片状形态的填料，使高分子材料达到特定的发泡倍率，填料在其中具有特殊排布方式，制备得到的发泡隔声材料密度最低可达0.3 g/cm3，远低于现有技术制备的高分子基隔声材料的密度；硬度最低可达30（邵氏A型硬度计测试），具有非常柔软的特性；隔声性能最高可达34dB。
本发明提供的高分子基发泡隔声材料，由于具有极低的密度而使应用领域范围大大拓宽，在交通、建筑、航天等对材料有轻质化要求的领域具有广阔的应用前景；该高分子基发泡隔声材料具有良好的柔性，可以便捷的裁剪和安装，大大方便了施工使用过程。同时，本发明提出的制备方法及制备过程简单、材料性能稳定、生产效率高、成本低，具有广阔的工业化和市场前景。
附图说明
图1是声波在本发明的隔声材料中的传播示意图，图中E i 是入射声能、E r 是反射声能、E t 是透射声能，A为填料；B为泡孔。
图2是泡孔生长过程使得填料沿泡孔壁切线方向取向的示意图。图中A为填料；B为泡孔。
图3是泡孔壁的扫描电镜照片，显示了材料泡孔壁中填料的分布。
具体实施方式
下面通过实施例和对比实验例对本发明进行进一步的具体描述。以下各实施例中，填料和发泡剂的含量用质量百分数表示；高分子基体及其他助剂按重量份计，其中高分子基体为100份。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的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
将聚氯乙烯（100份）与稳定剂（4.5份）、增塑剂（60份）、加工助剂（4份）、偶氮二甲酰胺发泡剂（1%）、云母（10%）在高速混合机中90°C下混合20分钟，使增塑剂被完全吸收，得到聚氯乙烯干混料。将干混料在双辊开炼机上混合塑化10分钟，双辊开炼机温度为140°C。将得到的混合塑化料填满厚度2 mm的模具，在压力成型机中模压发泡成型10分钟，温度180°C，压力10MPa。
本实施例制备的低密度、柔性发泡隔声材料，密度为0.45g/cm3，发泡倍率2.8，泡孔密度1.1×107个/cm3，泡孔平均尺寸60 μm，硬度35，材料平均隔声量为32 dB。
实施例2
将三元乙丙橡胶（100份）在双辊开炼机上包辊成片，然后依次将氧化锌（5份）、硬脂酸（0.5份）、硫化剂过氧化而异丙苯（1份）、膨胀微球（5%）、补强碳黑（20份）、氮化硼（5%）加到橡胶上，通过打包、翻捣使填料、助剂和橡胶基体混合均匀，混炼20分钟后将混炼胶薄通出片，双辊开炼机温度为90°C。将混炼胶填满厚度2 mm的模具，在平板硫化机中进行硫化发泡10分钟，温度160°C，压力15 MPa。
本实施例制备的低密度、柔性发泡隔声材料，密度为0.32 g/cm3，发泡倍率3.3，泡孔密度1.5×107个/cm3，泡孔平均尺寸50 μm，硬度30，材料平均隔声量为30 dB。
实施例3
将聚氯乙烯（100份）与稳定剂（4.5份）、增塑剂（50份）、加工助剂（4份）、偶氮二甲酰胺发泡剂（2%）、云母（5%）、氮化硼（5%）在高速混合机中90°C下混合20分钟，使增塑剂被完全吸收，得到聚氯乙烯干混料。将干混料在双辊开炼机上混合塑化10分钟，双辊开炼机温度为140°C。将得到的混合塑化料切粒后投入单螺杆挤出机中进行挤出发泡，挤出机各段温度为：120 °C、140 °C、180 °C、180 °C，口模170 °C。
本实施例制备的发泡隔声材料，密度为0.30 g/cm3，发泡倍率4.1，泡孔密度8.5×106个/cm3，泡孔平均尺寸90 μm，硬度38，平均隔声量为34 dB。
为了更清楚的表明本发明利用“填料在泡孔壁的取向形成声波传播屏障”的特殊结构能有效提高高分子材料的隔声性能并赋予材料质轻柔软的特性，我们在实施例1所述的制备方法上再提供2个能与实施例1进行比较的实验对比例。
对比实施例1
与实施例1相比，本对比例的配方中不含发泡剂，其他组分相同。本对比例制备得到的是传统的填料填充的高分子隔声材料，内部不含泡孔结构。
将聚氯乙烯（100份）与稳定剂（4.5份）、增塑剂（60份）、加工助剂（4份）、云母（10%）在高速混合机中90°C下混合20分钟，使增塑剂被完全吸收，得到聚氯乙烯干混料。将干混料在双辊开炼机上混合塑化10分钟，双辊开炼机温度为140°C。将混合塑化料填满厚度2 mm的模具，在压力成型机中模压成型10分钟，温度180°C，压力10MPa。
本对比例制备的材料不含泡孔结构，密度为1.3 g/cm3，硬度75，平均隔声量为24dB。对比例与实施例1含有相同量的云母，但是不含发泡剂，得到的材料的密度相比实施例1要高得多，而隔声量却更低，硬度更高。因此，泡孔结构的存在，让云母填充的软质聚氯乙烯有更高的隔声量、更低的密度和硬度。
对比实施例2
与实施例1相比，本对比例的配方中不含云母，其他组分相同。本对比例制备得到的是未填充的聚氯乙烯泡沫材料。
将聚氯乙烯（100份）与稳定剂（4.5份）、增塑剂（60份）、加工助剂（4份）、偶氮二甲酰胺发泡剂（1%）在高速混合机中90°C下混合20分钟，使增塑剂被完全吸收，得到聚氯乙烯干混料。将干混料在双辊开炼机上混合塑化10分钟，双辊开炼机温度为140°C。将混合塑化料填满厚度2 mm的模具，在压力成型机中模压发泡成型10分钟，温度180°C，压力10MPa。
本对比例制备的材料没有添加填料，密度为0.43 g/cm3，硬度33，平均隔声量为23dB。对比例与实施例1含有相同量的发泡剂，但是不含隔声功能填料，与实施例1相比，得到的材料的密度和硬度相近，而隔声量要低得多。因此，未填充的聚氯乙烯发泡材料，隔声量较差。
结合实施例1、对比实施例1和对比实施例2，我们发现，仅有填料而不发泡，或者仅仅发泡而不添加填料，都得不到好的隔声性能。只有二者结合，使发泡与填料在隔声上产生协同作用，才能很好的提升隔声性能。通过附图1、图2和图3可知，填料在在泡孔壁中的取向排列，对声波传播起到了阻碍作用，提升了隔声性能。而在对比实施例1和2中，并没有这种特殊结构的存在。

Claims (4)

1.一种低密度、柔性高分子基发泡隔声材料，其特征在于：该发泡材料的基体是柔性的高分子材料，填料是片状形态的无机填料，且片状的无机填料沿着泡孔壁的切线方向取向排列；
其中，所述发泡材料通过高分子基体和填料共混进行发泡成型；
所述高分子基体为软质聚氯乙烯、聚氨酯、低密度聚乙烯、橡胶柔性高分子材料；
所述无机填料具有二维片状形态，选自云母、氮化硼、粘土、石墨中一种或几种，添加量为5～30％；
所述发泡成型中，所用发泡剂为偶氮二甲酰胺(AC)、苯磺酰肼发泡剂(OBSH)、二亚硝基五亚甲基四胺、膨胀微球中的一种，其添加量为1～5％；
其中，所述发泡材料的发泡倍率在2.5倍以上，泡孔密度达到106个/cm3以上。
2.根据权利要求1所述的低密度、柔性高分子基发泡隔声材料，其特征在于所述的无机填料，其添加量比例范围为10～20％。
3.根据权利要求1所述的低密度、柔性高分子基发泡隔声材料，其特征在于材料的硬度为30～70，其中，硬度测量仪器为邵氏A型硬度计。
4.一种制备权利要求1所述的低密度、柔性高分子基发泡隔声材料的方法，其特征在于将高分子基体、填料、发泡剂、其他助剂通过双辊开炼机在一定温度下共混获得高分子/填料共混料，所得共混料经过模压发泡成型或挤出发泡成型得到低密度、柔性高分子基发泡隔声材料。
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