有机蒙脱土/丁腈橡胶-聚氯乙烯隔声复合材料的制备及性能

胡胜¹,蔡俊²,傅强²

(1.国网湖南省电力有限公司 电力科学研究院,长沙 430007;2.上海交通大学 环境科学与工程学院,上海 200240)



摘要:

轻质隔声材料一直是隔声功能材料的研究热点.本研究以NBR-PVC为基料,通过纳米有机蒙脱土(OMMT)填充改性制备了有机蒙脱土/丁腈橡胶-聚氯乙烯隔声材料,并探讨了纳米有机蒙脱土添加量对材料面密度、力学性能、阻尼性能和隔声性能的影响.实验结果表明,当OMMT质量含量为3.73%时,OMMT/NBR-PVC复合材料的弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率及阻尼性能综合最佳,其隔声指数可达32.6 dB.

关键词:  有机蒙脱土  聚氯乙烯  丁腈橡胶  隔声性能

DOI：10.11951/j.issn.1005-0299.20180200

分类号:TB332

文献标识码:A

基金项目:国网湖南省电力有限公司科技项目(5216A516002F)；国家自然科学基金项目(11004133).



Preparation and properties of soundproof composite materials based on nano organic montmorillonite/acrylonitrile butadiene rubber-polyvinyl chloride

HU Sheng¹, CAI Jun², FU Qiang²

(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 430007, China;2.School of Environment Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:

Lightweight sound insulation materials have always been the research focus of sound insulation functional materials. In this study, NBR-PVC was used as the base material to prepare nano organic montmorillonite(OMMT) /NBR-PVC soundproof composite material by filling nano OMMT. Effects of the amount of nano OMMT on surface density, mechanical properties, damping property, and sound insulation property were discussed. Experimental results show that when the content of OMMT was 3.73wt%, the modulus of elasticity, tensile strength, elongation at break, and damping property of the OMMT/NBR-PVC composite were the best, and the sound insulation index could reach 32.6 dB.

Key words:  nano organic montmorillonite  polyvinyl chloride  acrylonitrile butadiene rubber  sound insulation performance


胡胜, 蔡俊, 傅强. 有机蒙脱土/丁腈橡胶-聚氯乙烯隔声复合材料的制备及性能[J]. 材料科学与工艺, 2019, 27(6): 7-11. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20180200.
HU Sheng, CAI Jun, FU Qiang. Preparation and properties of soundproof composite materials based on nano organic montmorillonite/acrylonitrile butadiene rubber-polyvinyl chloride[J]. Materials Science and Technology, 2019, 27(6): 7-11. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20180200.
基金项目 国网湖南省电力有限公司科技项目(5216A516002F); 国家自然科学基金项目(11004133) 通信作者 胡胜，E-mail:hbhusheng@163.com 作者简介 胡胜(1979—)，男，博士，高工 文章历史 收稿日期: 2018-07-13 网络出版日期: 2019-11-11


Contents            Abstract            Full text            Figures/Tables            PDF


有机蒙脱土/丁腈橡胶-聚氯乙烯隔声复合材料的制备及性能
胡胜¹, 蔡俊², 傅强²     
1. 国网湖南省电力有限公司 电力科学研究院，长沙 430007;
2. 上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240

收稿日期: 2018-07-13; 网络出版日期: 2019-11-11
基金项目: 国网湖南省电力有限公司科技项目(5216A516002F); 国家自然科学基金项目(11004133)
作者简介: 胡胜(1979—)，男，博士，高工.
通信作者: 胡胜，E-mail:hbhusheng@163.com.


摘要: 轻质隔声材料一直是隔声功能材料的研究热点.本研究以NBR-PVC为基料，通过纳米有机蒙脱土(OMMT)填充改性制备了有机蒙脱土/丁腈橡胶-聚氯乙烯隔声材料，并探讨了纳米有机蒙脱土添加量对材料面密度、力学性能、阻尼性能和隔声性能的影响.实验结果表明，当OMMT质量含量为3.73%时，OMMT/NBR-PVC复合材料的弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率及阻尼性能综合最佳，其隔声指数可达32.6 dB.
关键词: 有机蒙脱土    聚氯乙烯    丁腈橡胶    隔声性能    
Preparation and properties of soundproof composite materials based on nano organic montmorillonite/acrylonitrile butadiene rubber-polyvinyl chloride
HU Sheng¹, CAI Jun², FU Qiang²     
1. State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 430007, China;
2. School of Environment Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China



Abstract: Lightweight sound insulation materials have always been the research focus of sound insulation functional materials. In this study, NBR-PVC was used as the base material to prepare nano organic montmorillonite(OMMT) /NBR-PVC soundproof composite material by filling nano OMMT. Effects of the amount of nano OMMT on surface density, mechanical properties, damping property, and sound insulation property were discussed. Experimental results show that when the content of OMMT was 3.73wt%, the modulus of elasticity, tensile strength, elongation at break, and damping property of the OMMT/NBR-PVC composite were the best, and the sound insulation index could reach 32.6 dB.
Keywords: nano organic montmorillonite    polyvinyl chloride    acrylonitrile butadiene rubber    sound insulation performance    
随着社会进步和人民生活水平的提高，对声环境质量的要求越来越高，由噪声引发的纠纷投诉问题日益突出^[1-3].传统的隔声屏障、隔声罩等装置为达到良好的隔声效果，多采用笨重的金属和无机材料，这个给降噪装置的安装和日常运维带来了许多不便^[4-6]，因此开发轻质高效的隔声材料和结构是当前研究的热点^[7-11].许多研究者利用高分子材料与无机、金属粉末等填料复合，从而制备出了新型高隔声效果复合材料^[12-14].

丁腈橡胶(NBR)/聚氯乙烯(PVC)复合材料兼具橡胶和塑料的优点，有良好的弹性和可塑性，以及优良的耐油性、耐候性等，用其制作隔声材料具有良好的应用前景^[15].傅强等研究了添加片状氧化石墨烯(GO)来提高NBR/PVC的阻尼性能，从而使得NBR/PVC的隔声性能提高^[16].但是由于GO的成本很高，不利于大规模推广应用.王毅等探讨了有机蒙脱土对聚氯乙烯/丁腈橡胶纳米复合材料结构与性能的影响，研究结果表明OMMT可在复合材料中实现纳米级分散，添加适量的OMMT可提高复合材料的拉伸强度、耐溶剂性能和耐热性能^[17].本文为进一步降低NBR/PVC复合隔声材料的成本，通过填充片状有机蒙脱土(OMMT)制备OMMT /NBR-PVC隔声复合材料.探讨了OMMT的含量对材料的断面形貌、面密度、力学性能、阻尼性能和隔声性能的影响，进而对OMMT/NBR-PVC材料的隔声机理进行了分析.

1 实验1.1 试样的制备实验中采用的NBR-PVC基体质量比为70:30，通过添加不同剂量的OMMT作为改性填料，从而制备出OMMT/NBR-PVC复合隔声材料，表 1为实验样品采用的配方.聚氯乙烯树脂(PVC)聚合度为1 000±150，密度为1.4 g/cm³；丁腈橡胶(NBR)丙烯腈含量为33%，密度为1 g/cm³；有机蒙脱土(OMMT)：粒径为100 nm~1 μm.样品制备可分为硫化前、硫化、硫化后3个阶段.

表1(Table 1)
表 1 OMMT/NBR-PVC的配方(质量分数/%)Table 1 Formulations of OMMT/NBR-PVC (wt%) 样品 NBR/PVC DOP 硬脂酸 OMMT CZ S

1 86.21 8.62 1.72 0 1.72 1.72

2 85.11 8.51 1.70 1.28 1.70 1.70

3 84.03 8.40 1.68 2.52 1.68 1.68

4 82.99 8.30 1.66 3.73 1.66 1.66

5 81.97 8.20 1.64 4.92 1.64 1.64



表 1 OMMT/NBR-PVC的配方(质量分数/%)Table 1 Formulations of OMMT/NBR-PVC (wt%)


硫化前：在将PVC、OMMT等放置在60 ℃的真空干燥箱中4 h后，按表 1的配方分别称取不同质量的NBR、PVC、硬脂酸和DOP等原料，在温度为160 ℃的开炼机中混炼2 min，其转速为20 r/min.在加入无机改性剂(OMMT)后，继续混炼5 min.待混炼胶自然冷却后，将开炼机温度调为60 ℃，然后加入促进剂和升华硫，混炼5 min.

硫化：将加入硫化剂的混炼胶在室温下放置24 h后，在温度设为160 ℃的平板硫化机上采用10 MPa压力压制12 min后成型.

硫化后：将成型后的混炼胶在室温下放置24 h后，根据测试需要裁成相应尺寸.

1.2 试验性能表征1.2.1 面密度先用天平秤出试样的质量，按下式(1)计算出其面密度.

$\rho_{0}=\frac{M \times 10^{4}}{a \times b}.$ (1)

式中：ρ₀为面密度，g/cm²；M为质量，g；a为试样宽度，cm；b为试样长度，cm.

1.2.2 硬度根据国标GB/T 531-1992，采用HBS-3000型布氏硬度计测试邵氏硬度.

1.2.3 拉伸性能用美国INSTRON公司生产的Instron4465型万能试验机按照国标GB/T 528-2009，测试拉伸强度和断裂伸长率.

1.2.4 动态力学性能用美国Perkin Elmer公司生产的DMA 8000型动态热机械性能分析仪测试动态力学性能.样品尺寸为15 mm(长)、5 mm(宽)、1 mm(厚).振动频率采用10 Hz，升温速率采用3 ℃/min.

1.2.5 试样隔声性能根据传统函数法，用北京声望声电技术有限公司生产的阻抗管来测试样品的吸隔声量，装置照片如图 1所示.测试隔声量时，每个试样测试结果取5次测试的平均值.

图 Figure1(Fig.Figure1)
图 1 阻抗管装置图Fig.1 Picture of the impedance tube


2 结果与讨论2.1 OMMT对NBR-PVC隔声复合材料形貌的影响图 2是不同含量OMMT隔声复合材料样品的SEM形貌.在各个样品断面均出现明显的纹路，这可能是由于OMMT粒子极性官能团的引入减弱了片层间相互作用，从而增强了OMMT与基体之间相互作用.当OMMT质量分数低于3.73%时，粒子在基体均匀分散，试样断面的纹路随OMMT的含量增大而逐渐增多，且平整有规律.当OMMT含量(质量分数)为4.92%时，断面纹路呈现无规律排布，且表面粗糙.这可能是由于OMMT含量过多，在基体中发生团聚导致的.

图 Figure2(Fig.Figure2)
图 2 不同质量分数OMMT隔声材料的SEM图片：(a) 1.28%, (b) 2.52%, (c) 3.73%, (d) 4.92%Fig.2 SEM images after adding different amount of OMMT: (a) 1.28 wt%, (b) 2.52 wt %, (c) 3.73 wt%, (d) 4.92 wt%


2.2 OMMT对NBR-PVC隔声复合材料力学性能影响不同含量OMMT隔声复合材料的各项力学性能见表 2和图 3所示.由表 2和图 3可知，材料面密度随着OMTT含量增加而略有增加，但由于添加的OMMT含量很少，增加幅度不大，基本维持在0.43g/cm^-2.OMTT的添加则可有效增强材料的静态力学性能.随粒子含量的增加，材料的弹性模量先增大后降低.当OMMT添加质量分数为3.73%时，OMMT/NBR-PVC的弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率达到最大值，分别为4.15 Pa、20.7 Pa、531%.OMMT作为一种优良的改性填料，在NBR-PVC基体中能实现良好的分散性，并且OMMT表面的活性基团能与基体中的极性基团能形成共价键，从而显著增强了材料的各项力学性能.而当OMMT质量分数增加到4.92%时，OMMT/NBR-PVC的各项力学性能反而降低.这是由于添加过多的OMMT后，OMMT易出现局部团聚现象，受到外力作用是易出现应力集中现象，从而导致材料的各项力学性能降低.

表2(Table 2)
表 2 不同含量OMMT隔声复合材料力学性能Table 2 Mechanical properties after adding different amount of OMMT 样品 厚度/cm 面密度/(g·cm^-2) 弹性模量/MPa 拉伸强度/MPa 断裂伸长率/ %

1 0.5 0.408 2.15 15.3 412

2 0.5 0.412 2.83 17.3 507

3 0.5 0.435 3.76 19.5 511

4 0.5 0.453 4.15 20.7 531

5 0.5 0.467 3.86 19.2 485



表 2 不同含量OMMT隔声复合材料力学性能Table 2 Mechanical properties after adding different amount of OMMT


图 Figure3(Fig.Figure3)
图 3 不同质量分数OMMT隔声复合材料的应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of soundproof composite with different amount of OMMT


2.3 OMMT对NBR-PVC复合材料阻尼性能影响不同含量OMMT复合材料的损耗因子见图 4所示.由图 4可知，在添加OMMT后，隔声材料的阻尼损耗峰向低温偏移且峰值下降.这是由两方面原因导致的：一方面是由于高分子在剪切力和热的作用下插入OMMT层间，增加了高分子链间的物理交联点，使分子链间相对运动和滑移难度变大；另一方面，由于OMMT表面的活性基团与基体分子链间(NBR与PVC都为极性分子链)的相互作用，也会增加分子链之间作用力.随OMMT含量增加阻尼损耗峰向高温方向小幅偏移，即材料的玻璃化转变温度有所提高.隔声材料的损耗因子峰值随OMMT含量增加先增大后减小，当OMMT质量分数为3.73%时，达到最大；当OMMT质量分数超过4.92%时，由于OMMT粒子小尺寸效应，使得粒子间发生团聚，这与SEM图一致，使材料阻尼性能降低.

图 Figure4(Fig.Figure4)
图 4 不同质量分数OMMT隔声材料的损耗因子图Fig.4 Damping factor after adding different amount of OMMT


2.4 OMMT对NBR-PVC复合材料隔声性能影响图 5(a)为OMMT/NBR-PVC隔声性能频谱曲线.OMMT是一种插层结构和具有良好阻隔性的改性填料，添加OMMT能够显著提高机体的弹性模量和气密性，如表 2所示，可有效限制材料中大分子链的运动，提高粘滞效应，能减少声能透射量，从而提高低频隔声量.当OMMT质量分数为3.73%时低频段的隔声性能最佳.在中高频段，材料的隔声性能可能是由3方面因素综合导致的.首先，随OMMT含量增加材料的面密度逐渐变大，根据质量作用定律，其隔声量性能逐渐增加.但当粒子含量为4.92%时，材料的隔声性能反而降低，这可能与粒子在其内部发生严重的团聚有关；同时，由于OMMT和NBR-PVC基体声阻抗存在较大差异，声波在两者界面会形成较大的反射和耗散，通过材料中众多微界面的存在，从而提高隔声性能.

图 Figure5(Fig.Figure5)
图 5 不同质量分数OMMT隔声复合材料的隔声性能Fig.5 Sound insulation property after adding different amount of OMMT: (a) spectrum graph; (b) sound insulation index histogram


图 5(b)为不同含量OMMT隔声材料的隔声指数.由图可知，当添加质量分数分别为1.28%、2.52%、3.73%、4.92%的OMMT后，提高到24 dB.当OMMT的质量分数为3.73%时，隔声指数最大，材料隔声性能最佳.

3 结论综上所述，OMMT的添加一定程度上提高了NBR-PVC复合材料的整体性能.当OMMT质量分数为3.73%时，OMMT/NBR-PVC复合材料的性能综合最佳，其隔声指数达到32.6 dB.由于OMMT/NBR-PVC复合材料较传统隔声材料具有轻质、易加工、成本低等优点，因此其具有良好的市场应用前景，这也为新型隔声复合材料的研制提供了新思路.


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