低氣味、低VOC汽車用消音阻尼膠片的研究

吳子剛 高之香 李建武 李程 李士學(xué)

摘要：以丁基橡膠、增塑劑、增粘樹脂、高效減振消音填充劑等為原料制備了一種低氣味、低voc汽車用消音阻尼膠片，研究了這種材料的氣味等級、voc揮發(fā)量、消音性能及阻尼性能.結(jié)果表明，該消音阻尼膠片具有低氣味、低voc揮發(fā)量，高的吸聲系數(shù)和損耗因子，是一種用于替代瀝青的新型環(huán)保阻尼材料。

關(guān)鍵詞：voc;消音阻尼膠片;吸聲系數(shù);損耗因子

中圖分類號：TQ437文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）04-0011-04

NVH是指噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NoiSe、Vibration、HatShness）的英文縮寫，是衡量汽車舒適性的重要指標(biāo)。汽車車身主要由多塊沖壓成形的薄鋼板焊接而成。由于鋼板較薄且損耗因子低，所以在行駛過程中車身結(jié)構(gòu)容易發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)由振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲也輻射到車內(nèi)，影響汽車的舒適性。為了提升汽車NVH品質(zhì)，經(jīng)常利用具有粘彈性的阻尼膠片實(shí)現(xiàn)汽車舒適性的主動(dòng)控制。阻尼膠片可以將機(jī)械振動(dòng)的能力轉(zhuǎn)變成熱能或其他可以損耗的能量而達(dá)到減振的目的。

阻尼膠片按照材料可以分為瀝青型阻尼膠片和橡膠型阻尼膠片2種。瀝青型阻尼膠片因?yàn)槠錅囟纫来嫘暂^強(qiáng)，容易出現(xiàn)冬天發(fā)脆斷裂、夏天粘附的現(xiàn)象，且受熱和長期使用老化后會(huì)分解有害物質(zhì)損害人體健康，在汽車向環(huán)保方向發(fā)展的大趨勢下，該產(chǎn)品在汽車中的應(yīng)用會(huì)越來越少。橡膠型阻尼膠片常年保持韌性，不易出現(xiàn)斷裂和破碎現(xiàn)象;具有良好的抗流掛性、優(yōu)良的耐侯性;此外還具有橡膠本身賦予的良好阻尼效果，采用高模量材料進(jìn)行填充使阻尼層材料處于約束狀態(tài)。當(dāng)薄板發(fā)生振動(dòng)彎曲時(shí)，在垂直方向上的壓縮和伸展變形受到抑制，產(chǎn)生剪切變形，提高耗散能量。

本文采用丁基橡膠作為主體樹脂，添加增塑劑、增粘樹脂、高效減振消音填充劑等制備了一種低氣味、低VOC的消音阻尼膠片，具有良好的消音、阻尼功能。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

丁基橡膠，301，德國朗盛集團(tuán);鄰苯二甲酸二異壬酯，山東齊魯增塑劑股份有限公司;C5加氫石油樹脂，C-100R，南京揚(yáng)子伊士曼化工有限公司;云母粉，徐州金亞粉體有限公司;納米碳酸鈣，上海卓越納米新材料股份有限公司;炭黑，N220，卡博特化工有限公司。

1.2設(shè)備與儀器

二輥機(jī)，S（x）K-160A，上海輕工機(jī)械技術(shù)研究所;捏合機(jī)，NHF-3L，南通密煉捏合機(jī)械有限公司;擠出機(jī)，自制;采樣袋法環(huán)境箱，V-OV-1000，東莞市升微機(jī)電設(shè)備科技有限公司;高效液相色譜儀，LC-5510，北京東西分析儀器有限公司;氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，GC-MS-3100，北京東西分析儀器有限公司;熱解析儀，JX-5，北京中惠普分析技術(shù)研究所;阻抗管，SW477，北京聲望聲電技術(shù)有限公司;動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，DMA 242E，德國耐馳儀器制造有限公司。

1.3消音阻尼膠片的制備

先用二輥機(jī)將100份（質(zhì)量份，下同）丁基橡膠進(jìn)行塑煉。將塑煉好的丁基橡膠投入密煉機(jī)，加入2份炭黑、20份C5加氫石油樹脂，混合30min，邊攪拌邊依次加入60份云母粉、30份納米碳酸鈣、30份鄰苯二甲酸二異壬酯進(jìn)行混煉60min制得混煉膠。將擠出機(jī)加熱至（60-80）℃，待溫度達(dá)到后，將混煉膠放入擠出機(jī)開始擠出，擠出過程一側(cè)敷0.15mm厚鋁箔、一側(cè)敷隔離紙，擠出通道中設(shè)有壓輥，用壓輥將膠片與鋁箔壓實(shí)，使膠片與鋁箔粘牢，并分切成規(guī)定尺寸。

1.4性能測試

氣味等級：參考VDA 270-1992進(jìn)行測試，樣件烘烤條件：（170±2）℃×20min，1L氣味瓶，取樣量（50±5）cm²。

VOC揮發(fā)量：參考HJ/T400-2007進(jìn)行測試，樣件烘烤條件：（170±2）℃×20min，10L袋子，采樣條件：65℃×2h，取樣量（25±1）g。

吸聲系數(shù)：參考GB/T 18696.2-2002進(jìn)行測試，樣件厚度2.0mm。

損耗因子：

采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）進(jìn)行測試，選擇單懸臂模式，膠片尺寸為35mm×10mm×2mm，測試溫度范圍：-100～100℃，升溫速率2℃/min，測試頻率為1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz。

2結(jié)果與討論

2.1氣味

車內(nèi)氣味主要由車內(nèi)零部件和內(nèi)飾材料中所含有害物質(zhì)釋放，包括塑料、膠粘劑、阻尼材料（固化后）、皮革、橡膠、發(fā)泡劑、毛氈等。

對車內(nèi)材料、零部件進(jìn)行氣味評價(jià)是目前主機(jī)廠對氣味進(jìn)行管控的簡單而有效的方法之一，根據(jù)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量管控。這種氣味評價(jià)方法有別于車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）的儀器分析方法和人工智能嗅覺系統(tǒng)，是完全依靠專業(yè)人員的鼻子進(jìn)行主觀嗅辨，而不是依靠氣質(zhì)聯(lián)用儀、高效液相色譜儀和傳感器陣列等儀器設(shè)備進(jìn)行檢測。表l是消音阻尼膠片在不同存放條件下的氣味強(qiáng)度。

由表1可知，氣味等級在不同存放條件下均≤3.0，這是由于該膠片在加工過程中用未加入硫磺或其他硫化劑對丁基橡膠進(jìn)行硫化，從而不會(huì)產(chǎn)生部分有毒物質(zhì)及難聞的刺激性氣味。此外，選用的C5加氫石油樹脂是采用催化加氫技術(shù)，在催化劑的作用下對石油樹脂中的不飽和雙鍵和有色基團(tuán)加氫，并脫除在聚合過程中殘留的鹵素，從而使其氣味更低。

2.2VOC揮發(fā)量

對消音阻尼膠片及其主要原材料的醛酮、苯系物及TVOC揮發(fā)量測定結(jié)果見表2。

由表2可知，消音阻尼膠片中醛酮、苯系物的含量較低，對整車車內(nèi)的VOC揮發(fā)量影響較小。由于消音阻尼膠片的主要成分均為丁基橡膠、增塑劑、增粘劑和填充劑，3者對VOC含量的影響依次為增塑劑>丁基橡膠>增粘劑>填充劑。主要的來源為增塑劑鄰苯二甲酸二異壬酯，在合成反應(yīng)過程中苯系物的功能基團(tuán)被破壞后會(huì)產(chǎn)生含碳量較小的苯類物質(zhì)。此外丁基橡膠和C5加氫石油樹脂也含有少量VOC。但通過原材料的合理配比可以使消音阻尼膠片的VOC揮發(fā)量控制在合格的范圍內(nèi)，滿足整車的環(huán)保要求。

2.3吸聲系數(shù)

消音阻尼膠片的消音性能通常由吸聲系數(shù)來表示。由于丁基橡膠的特殊分子結(jié)構(gòu)使得內(nèi)摩擦大，內(nèi)耗大，易生熱，所以是吸聲材料的首選材料。而片狀云母是最常用、最有效的消音填料。當(dāng)振動(dòng)或噪聲輻射時(shí)，片狀云母粉會(huì)沿著振動(dòng)和噪聲傳播的垂直方向運(yùn)動(dòng)，與其周邊的高分子鏈，云母粉以及其他填料之間產(chǎn)生摩擦，快速將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，從而起到減振降噪的作用。圖1是消音阻尼膠片吸聲系數(shù)曲線，吸聲系數(shù)在4000Hz時(shí)最大值達(dá)到0.238，吸聲效果明顯。

2.4損耗因子

丁基橡膠由于其分子鏈上側(cè)甲基十分密集，形成蠕蟲狀結(jié)構(gòu)，因而具有較高的損耗因子，又因?yàn)椴ＡЩD(zhuǎn)變溫度附近存在著次級轉(zhuǎn)變，致使其阻尼性能不同于一般的彈性體，內(nèi)耗峰既高又寬。圖2是消音阻尼膠片損耗因子的測試結(jié)果，可以看出損耗因子的峰值均在0.6以上。且隨著頻率的升高，消音阻尼膠片損耗因子的峰值溫度向高溫移動(dòng)，從-27.2℃（1HZ）升高到-10.9℃（20Hz）

。

由于DMA儀器設(shè)置的頻率最高只能到100Hz，為了得到更高頻率下的損耗因子，將1Hz，2Hz，5Hz，10Hz，20Hz這幾個(gè)頻率掃描的數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)溫等效原理對頻率進(jìn)行外推，得到了低溫-30℃、室溫25℃及高溫50℃下消音阻尼膠片損耗因子隨頻率的變化曲線，見圖3。高分子阻尼材料通常以損耗因子tand≧0.3相對應(yīng)的頻率范圍為有效阻尼區(qū)，從圖3可以看出-30℃下消音阻尼膠片tand≧0.3的頻率范圍為0.003～180Hz，25℃下消音阻尼膠片tand≧0.3的頻率范圍為10Hz～370000HZ，50℃下消音阻尼膠片tand≧0.3的頻率范圍為100～3460000Hz。

通過對消音阻尼膠片的氣味、VOC揮發(fā)量、吸聲系數(shù)及損耗因子的性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文制備的消音阻尼膠片具有低氣味、低VOC揮發(fā)量，可以在源頭上降低車內(nèi)環(huán)境污染的發(fā)生，是一種新型環(huán)保功能材料。同時(shí)，消音阻尼膠片的吸音性能和阻尼性能優(yōu)異，因此是一種具有較強(qiáng)的吸收聲能、減低振動(dòng)的材料。該膠片在使用時(shí)可以用手直接操作，無毒、無味，容易與防粘紙脫離，而且工藝性好，粘貼后不位移，可以經(jīng)受車身制作后續(xù)的洗油、磷化、電泳、噴漆、烘烤等工序，滿足主機(jī)廠的性能要求。