涤纶织物/聚氯乙烯-中空微珠复合材料的制备及其隔声性能

2021-11-29普丹丹傅雅琴

纺织学报 2021年11期

普丹丹，傅雅琴

(1. 浙江理工大学材料科学与工程学院，浙江杭州 310018；2. 河南工程学院纺织工程学院，河南郑州 450007)

噪声污染作为世界三大污染之一，在工程领域有着巨大的危害。隔声材料在船舶、飞机、汽车、建筑等领域有着非常广阔的应用前景[1-3]；而传统的隔声材料如钢板、铅板、砖墙等都致密厚重，严重影响其加工和应用，因此，开发轻质、方便加工的隔声材料受到科研工作者的广泛关注。

柔性纺织复合材料不仅具有比传统纺织品更宽的吸声域，而且具有质软、量轻、易加工等特点[4]，因而成为隔声领域的研究热点。吕丽华等[5]采用废弃涤纶织物与氯化聚乙烯逐层贴合，热压制得具有良好隔声效果的隔声复合材料，并发现随废弃涤纶织物层数、材料面密度和加压压力的增加，其隔声量提高。杨天兵等[6]将填充有埃洛石纳米管的聚氯乙烯与不同组织循环数的玻璃纤维蜂窝织物复合制备的三明治结构复合材料具有良好的隔音性能。近年来，相关研究发现,中空玻璃微珠由于其特殊的中空结构使其在隔声复合材料领域具有潜在的应用价值[7]。Liang等[8]应用声学理论分析了无机微珠填充复合材料的隔声性能，揭示了其隔声机制。Zhang等[9]利用高阻尼特性的聚氨酯弹性体和低密度的中空玻璃微球制备了隔声复合材料，并发现中空玻璃微珠的加入提高了复合材料的硬度，复合材料的微相分离、界面效应和硬度的协同效应使其隔声性能得到改善。因此，采用中空微珠提高复合材料的隔声性能具有很大的优势。

本文以聚氯乙烯(PVC)为基体材料，中空玻璃微珠(HGM)为基体的填充材料，柠檬酸三丁酯(TBC)为增塑剂，涤纶织物为增强材料，自制的二氧化硅(SiO2)/TBC上浆剂为界面优化剂，采用接触成型技术制备了涤纶织物/PVC-HGM复合材料，并对其隔声性能进行测试。系统研究了复合材料试样中HGM的体积分数以及HGM粒径的大小对复合材料隔声性能的影响，进而分析了涤纶织物/PVC-HGM复合材料的隔声机制。

1 实验部分

1.1 主要材料

涤纶织物(平纹组织，经纬纱线密度均为55.56 tex(96 f)，经、纬密均为120 根/(10 cm))，浙江金汇特材料有限公司；聚氯乙烯糊树脂(牌号P450，聚合度为1 000±150)，上海氯碱化工股份有限公司；中空微珠(VS5500型)，3M公司；氢氧化钠(NaOH，分析纯)，杭州高晶精细化工有限公司；表面活性剂(工业级)，杭州科峰化工有限公司；抗静电剂(工业级)，江苏省安海石油化工厂；柠檬酸三丁酯(TBC，98%)、环氧大豆油(ESO，化学纯)，阿拉丁试剂有限公司；SiO2/TBC上浆剂，实验室自制。

1.2 主要仪器与设备

标准分样筛，承泽丝网加工厂；3H-2000PS型全自动表面及孔径分析仪，贝世德仪器科技有限公司；ALTRA55型场发射扫描电子显微镜，德国Carl Zeiss公司；AL204型分析天平，梅特勒托利多仪器(上海)有限公司；KQ-400KDE型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；DHG-9146A型鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；CH1015型超级恒温槽，上海衡平仪器仪表厂；JJ-6B型数显恒速电动搅拌器，常州市金坛联友仪器有限公司；BSWA VS302USB型双通道声学分析仪器，北京声望电子技术有限公司；HS6020A型声级校准器，国营四三八零厂嘉兴分厂。

1.3 HGM的分筛

为了得到不同粒径的HGM，采用相应的标准分样筛对HGM进行分筛，得到平均粒径分别为50、60、70 μm的HGM。

1.4 涤纶织物/PVC-HGM复合材料制备

1.4.1 涤纶织物的表面改性

涤纶织物表面改性的工艺流程为：去油处理、碱处理、上浆处理。去油处理与碱处理的方法参照前期的研究[10]，上浆处理采用实验室自制的SiO2/TBC上浆剂，将碱处理之后的涤纶织物放入稀释的SiO2/TBC上浆剂中密封，浸渍30 min后取出，在洁净的空气中干燥48 h，制得表面改性涤纶织物。

1.4.2 PVC-HGM混合糊制备

将聚氯乙烯糊树脂(EPVC)、柠檬酸三丁酯(TBC)和环氧大豆油(ESO)按照质量比为100∶130∶7混合，以1 000 r/min的速度搅拌30 min，制备均匀的树脂糊混合物。

称取一定量的HGM，缓慢加入到搅拌均匀的PVC树脂糊混合物中，以600 r/min的速度搅拌60 min，制备HGM体积分数分别为10%、20%、30%的PVC-HGM混合糊；按HGM的体积分数为30%分别称取平均粒径为50、60、70 μm的HGM后，再分别缓慢加入到均匀的PVC树脂糊混合物中，以600 r/min的速度搅拌60 min，制备平均粒径分别为50、60、70 μm的PVC-HGM混合糊。

1.4.3 复合材料制备

采用接触成型工艺将1.4.1小节制备的改性涤纶织物平放在模具中，然后将1.4.2小节制备的PVC-HGM混合糊浇注在涤纶织物上面，置入160 ℃烘箱中烘燥15 min，得到涤纶织物/PVC-HGM复合材料试样。

1.5 性能测试与表征

1.5.1 形貌分析

利用场发射电子显微镜(FE-SEM)对HGM的形貌进行观察，镀金20 s，测试电压为10 kV；对复合材料的断面形貌进行观察，镀金25 s，测试电压为10 kV。

1.5.2 不同粒径HGM的密度测试

利用全自动表面及孔径分析仪测试不同粒径HGM的体积密度，即HGM的质量与其真实体积之比(HGM的真实体积是指去除微珠间孔隙体积的HGM集合体体积)。测试之前首先进行气密性检测。测试时，先装好样品管和填充棒，测量空管体积V1；然后拆卸样品管，把质量为M的待测样品装进样品管，随后把填充棒也装进样品管，测量装入样品后样品管体积V2；测试完成后，根据下式计算样品的真实密度:

ρ=M/(V1-V2)

1.5.3 复合材料面密度测试

参照HB 7736.2—2004《复合材料预浸料物理性能试验方法第2部分：面密度的测定》对复合材料的面密度进行测试，试样尺寸为100 mm×100 mm，测试样本数为5。

1.5.4 复合材料隔声性能测试

采用混响室-消声法测试复合材料的隔声性能。参照GB/T 19889.3—2005《声学建筑和建筑构件隔声测量第3部分:建筑构件空气声隔声的实验室测量》，利用VS 302USB双声道声学测试仪(北京声望电子技术有限公司)对复合材料的隔声性能进行测试。隔声测试系统由BSWA-100 型功率放大系统、声望VS302USB系统、无指向性生源组成，并按照图1连接。

图1 隔声测试系统Fig.1 Measurement system of sound insulation

测试原理为：首先，在不放试样的情况下，由混响室内的声源发出粉红噪声，待稳定均匀的声场在混响室内形成后，混响室和消声室的传感器分别将两室的声信号记录并送到频谱分析仪中，记录噪声的原始声压级降和自由衰减量[11]。然后将待测试样固定在测试窗口上，以同样的方式再次记录，此时得到的数据为总声压级降和总衰减量。最后根据下式计算被测试样的隔声量：

式中：R为试样的隔声量，dB；L1为固定试样情况下混响室的声压级，dB；L2为固定试样情况下消声室的声压级，dB；L1′为无试样情况下混响室的声压级，dB；L2′为无试样情况下消声室的声压级，dB。

测试试样的尺寸为25 cm×25 cm，混响室静音箱的体积为100 cm×100 cm×100 cm。选择A计权网络，噪声源为90 dB的粉红噪声。声音的取样频率、抽取速率选择位、快速傅里叶变换样本数分别取48 000、1、8 192。

测试之前，通过声级校准器对测试系统进行校准。测试时，每种试样的样本数为5，每个样本测试4次。采用Spectra Lab软件对数据进处理，得到试样在不同频率下的隔声量。

2 结果与讨论

2.1 HGM形貌及粒径分析

图2示出不同粒径HGM的形貌。可以看出，采用标准分样筛分筛出的HGM的尺寸比较均匀，形状规则，分筛效果较好，能够满足实验设计的需要。

图2 不同粒径HGM的形貌Fig.2 FESEM images of HGM with different particular sizes

2.2 不同粒径HGM体积密度

为了分析粒径的差异对HGM体积密度的影响，对其体积密度进行测定发现：粒径分别为50、60、70 μm的HGM的体积密度均在0.38 g/cm3左右浮动，表明HGM粒径的差异对其体积密度的影响可以忽略不计。这主要是为了满足不同粒径的HGM具有同样的抗压强度的需要，粒径越大的HGM，其壁厚也越大。

2.3 复合材料的截面形态

图3示出HGM体积分数分别为0%、10%、20%、30%的涤纶织物/PVC-HGM复合材料的截面形貌。可以看出，PVC基体平整均一，表面改性涤纶织物与PVC基体界面结合良好[12]，HGM能够很好地嵌入PVC基体中，完好无损。随着HGM体积分数的增大，HGM在PVC基体中的分布密度明显增大。而且在HGM体积分数(30%)较大时，HGM也能够很好地分散在PVC基体中，没有发生明显的团聚现象。

图3 不同HGM体积分数涤纶织物/PVC-HGM复合材料的截面形貌Fig.3 FESEM imagines of polyester fabric/PVC-HGM composites for different volume fraction of HGM

2.4 隔声性能

2.4.1 HGM体积分数对隔声性能的影响

为研究基体材料中HGM体积分数对涤纶织物/PVC-HGM复合材料隔声性能的影响，制备了基体中HGM的体积分数分别为0、10%、20%、30%的4种试样。对复合材料基体中HGM体积分数分别为0%、10%、20%、30%的4种试样的隔声性能进行测试，结果如图4所示。可以看出，复合材料基体中HGM的体积分数分别为0%、10%、20%、30%的4种试样的隔声曲线变化趋势大致一致，隔声量随着频率的改变而发生变化。在100～630 Hz的低频段范围，4种复合材料试样隔声量随频率的变化均较小，基本在10 dB上下波动。HGM的体积分数分别为0%、10%的复合材料试样在频率为500 Hz处的隔声量达到最小值，分别为7.55、8.42 dB。HGM体积分数分别为20%、30%的复合材料试样在频率为630 Hz处的隔声量达到最小值，分别为8.30、6.56 dB。在630～10 000 Hz的中、高频段范围，4种复合材料试样除了在1 600、3 150 Hz处出现了由于吻合效应而出现的隔声低谷外，隔声量随频率的增大而增加得非常显著。4种复合材料试样的隔声量均在8 000 Hz处出现了极大值，分别为27.61、28.98、28.05、29.96 dB。这一现象表明涤纶织物/PVC-HGM复合材料的隔声性能与刚性材料有很大的不同。

图4 不同HGM体积分数涤纶织物/PVC-HGM复合材料的隔声性能Fig.4 Sound insulation property of polyester fabric/PVC-HGM composites for different volume fraction of HGM

根据质量法则，声音的透过量与材料的质量(面密度)有关。一般来讲，材料的面密度越大，其隔声性能越好。即根据材料的面密度来预测其隔声性能，材料的隔声量与材料的面密度的关系可近似地通过下式[13]表达：

R=20lg(mf)-47.5

式中：m为材料的面密度，kg/m2；f为声波的频率，Hz。

由公式可知，匀质刚性材料的隔声性能由材料的面密度和声波的频率共同决定。对于同一种试样，面密度一定，材料的隔声量与声波频率的关系可由对数函数表示。由于中空微珠粒径的大小不一，而且复合材料内部存在随机的孔隙，所以涤纶织物/PVC-HGM不是绝对均质材料。厚度基本相同、基体中HGM体积分数分别为0%、10%、20%、30%的4种试样的面密度如表1所示。

表1 涤纶织物/PVC-HGM复合材料的面密度与厚度Tab.1 Areal density and thickness of polyester fabric/PVC-HGM composites

从表1数据可知：随着复合材料中HGM体积分数的增大，复合材料的面密度降低，这是因为复合材料中HGM的密度小于其他成分的密度。根据质量定律，复合材料面密度的降低，势必会引起隔声量的降低。然而复合材料基体中HGM体积分数分别为0%、10%、20%、30%的4种试样的隔声性能却变化不大。这是由材料的质量效应与HGM增加复合材料的阻尼性能共同作用的结果。

另外，面密度为(1.413±0.064) kg/m2、厚度为(1.62±0.02) mm的涤纶织物/PVC-HGM复合材料(HGM的体积分数为30%)，其隔声性能与已报道的面密度为0.3 g/cm2、厚度为6 mm的废弃涤纶织物/氯化聚乙烯复合材料的隔声性能相当[5]，这说明涤纶织物/PVC-HGM复合材料不仅具有良好的隔声性能，而且对隔声材料的轻量化具有积极意义。

图5示出HGM的体积分数分别为0%、10%、20%、30%的4种试样的实测隔声量与用质量法则计算得到的隔声量的对比。在低频段，4种复合材料的实测隔声量均高于用质量法则计算得到的隔声量，表明在这一频段材料的隔声量主要有阻尼和劲度控制。由于PVC材料具有良好的阻尼效应，所以低频段的隔声量高于质量法则的计算值。在中、高频段区域，随着HGM体积分数的增大，复合材料隔声量的实测值与用质量法则计算的结果越接近，这表明随着HGM体积分数的增大，HGM对PVC的阻尼作用的影响越大。

图5 不同HGM体积分数涤纶织物/PVC-HGM复合材料隔声量的实测值和计算值Fig.5 Measured and calculated values of sound insulation of polyester fabric/PVC-HGM composites for different volume fraction of HGM

综合以上分析，相同厚度的涤纶织物/PVC-HGM复合材料试样，HGM的填充使复合材料的面密度呈线性下降，但其隔声性能却保持基本不变。这充分说明了HGM的填充对提高复合材料的隔声性能具有积极的意义，但是HGM体积分数的增加不能显著提高涤纶织物/PVC-HGM复合材料的隔声性能。

2.4.2 HGM粒径对隔声性能的影响

采用50、60、70 μm不同粒径的HGM制备HGM体积分数为30%的复合材料，其隔声性能如图6所示。

图6 不同HGM粒径涤纶织物/PVC-HGM复合材料的隔声性能Fig.6 Sound insulation performance of polyester fabric/PVC-HGM composites for different partical size of HGM

从图6可以看出，随着复合材料中填充的HGM粒径的增大，复合材料的隔声性能提高。由于粒径不同的HGM密度的差异可以忽略不计，故采用HGM体积分数相同(均为30 %)、粒径分别为50、60、70 μm的HGM制备的复合材料的差异可以忽略不计;因此，复合材料隔声性能的提高主要是由于HGM的粒径越大，其内腔的体积就越大。有文献表明,HGM腔内只有稀薄的氮气和二氧化碳气体，几乎处于真空状态;而声波在真空中不传播，所以HGM的内腔体积越大，对声波的阻隔作用越强[14-15]。同时，前人的研究[16-17]发现，粒径越大的HGM填充复合材料时，复合材料内部的孔隙率越高。而且有研究[18]发现,声波在黏弹性材料中传播时，材料中的孔洞可以使声波的传播性质发生改变，孔洞的存在不仅能使声波的传播产生散射作用，而且能引起声波的变形和共振，使一部分声能转化为热能而被吸收。

2.4.3 复合材料隔声机制分析

基于HGM对涤纶织物/PVC-HGM复合材料隔声性能的影响的分析，以涤纶织物/PVC-HGM复合材料为研究对象，对声波在复合材料中的传播过程进行分析，示意图如图7所示。

图7 声波在复合材料中的传播路径示意图Fig.7 Schematic of sound wave transmition through composites

由于HGM的体积密度远小于涤纶织物/PVC复合材料的体积密度，所以当HGM填充涤纶织物/PVC复合材料后，必然会引起复合材料面密度的减小。根据经典的面密度与隔声性能的关系，复合材料面密度的减小，其隔声性能必然降低。而本文研究的结果与传统的隔声材料遵循的质量定律不相符，主要是由于复合材料中的基体材料PVC具有很好的黏弹性，从而使其对声波具有较强的阻尼作用。同时，HGM对声波具有较强的阻隔作用。当声波遇到HGM和涤纶时，声波将在HGM和涤纶的表面发生多次折射和散射作用，这就使得声波在复合材料中的传播路径延长，声能的耗散也就相应地增多。因此，当声波通过涤纶织物/PVC-HGM复合材料后，声能会有大幅度的衰减。