滌綸織物/聚氯乙烯-中空微珠復合材料的制備及其隔聲性能

普丹丹， 傅雅琴

(1. 浙江理工大學 材料科學與工程學院， 浙江 杭州 310018；2. 河南工程學院 紡織工程學院， 河南 鄭州 450007)

噪聲污染作為世界三大污染之一，在工程領域有著巨大的危害。隔聲材料在船舶、飛機、汽車、建筑等領域有著非常廣闊的應用前景[1-3]；而傳統的隔聲材料如鋼板、鉛板、磚墻等都致密厚重，嚴重影響其加工和應用，因此，開發輕質、方便加工的隔聲材料受到科研工作者的廣泛關注。

柔性紡織復合材料不僅具有比傳統紡織品更寬的吸聲域，而且具有質軟、量輕、易加工等特點[4]，因而成為隔聲領域的研究熱點。呂麗華等[5]采用廢棄滌綸織物與氯化聚乙烯逐層貼合，熱壓制得具有良好隔聲效果的隔聲復合材料，并發現隨廢棄滌綸織物層數、材料面密度和加壓壓力的增加，其隔聲量提高。楊天兵等[6]將填充有埃洛石納米管的聚氯乙烯與不同組織循環數的玻璃纖維蜂窩織物復合制備的三明治結構復合材料具有良好的隔音性能。近年來，相關研究發現,中空玻璃微珠由于其特殊的中空結構使其在隔聲復合材料領域具有潛在的應用價值[7]。Liang等[8]應用聲學理論分析了無機微珠填充復合材料的隔聲性能，揭示了其隔聲機制。Zhang等[9]利用高阻尼特性的聚氨酯彈性體和低密度的中空玻璃微球制備了隔聲復合材料，并發現中空玻璃微珠的加入提高了復合材料的硬度，復合材料的微相分離、界面效應和硬度的協同效應使其隔聲性能得到改善。因此，采用中空微珠提高復合材料的隔聲性能具有很大的優勢。

本文以聚氯乙烯(PVC)為基體材料，中空玻璃微珠(HGM)為基體的填充材料，檸檬酸三丁酯(TBC)為增塑劑，滌綸織物為增強材料，自制的二氧化硅(SiO2)/TBC上漿劑為界面優化劑，采用接觸成型技術制備了滌綸織物/PVC-HGM復合材料，并對其隔聲性能進行測試。系統研究了復合材料試樣中HGM的體積分數以及HGM粒徑的大小對復合材料隔聲性能的影響，進而分析了滌綸織物/PVC-HGM復合材料的隔聲機制。

1 實驗部分

1.1 主要材料

滌綸織物(平紋組織，經緯紗線密度均為55.56 tex(96 f)，經、緯密均為120 根/(10 cm))，浙江金匯特材料有限公司；聚氯乙烯糊樹脂(牌號P450，聚合度為1 000±150)，上海氯堿化工股份有限公司；中空微珠(VS5500型)，3M公司；氫氧化鈉(NaOH，分析純)，杭州高晶精細化工有限公司；表面活性劑(工業級)，杭州科峰化工有限公司；抗靜電劑(工業級)，江蘇省安海石油化工廠；檸檬酸三丁酯(TBC，98%)、環氧大豆油(ESO，化學純)，阿拉丁試劑有限公司；SiO2/TBC上漿劑，實驗室自制。

1.2 主要儀器與設備

標準分樣篩，承澤絲網加工廠；3H-2000PS型全自動表面及孔徑分析儀，貝世德儀器科技有限公司；ALTRA55型場發射掃描電子顯微鏡，德國Carl Zeiss公司；AL204型分析天平，梅特勒托利多儀器(上海)有限公司；KQ-400KDE型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；DHG-9146A型鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；CH1015型超級恒溫槽，上海衡平儀器儀表廠；JJ-6B型數顯恒速電動攪拌器，常州市金壇聯友儀器有限公司；BSWA VS302USB型雙通道聲學分析儀器，北京聲望電子技術有限公司；HS6020A型聲級校準器，國營四三八零廠嘉興分廠。

1.3 HGM的分篩

為了得到不同粒徑的HGM，采用相應的標準分樣篩對HGM進行分篩，得到平均粒徑分別為50、60、70 μm的HGM。

1.4 滌綸織物/PVC-HGM復合材料制備

1.4.1 滌綸織物的表面改性

滌綸織物表面改性的工藝流程為：去油處理、堿處理、上漿處理。去油處理與堿處理的方法參照前期的研究[10]，上漿處理采用實驗室自制的SiO2/TBC上漿劑，將堿處理之后的滌綸織物放入稀釋的SiO2/TBC上漿劑中密封，浸漬30 min后取出，在潔凈的空氣中干燥48 h，制得表面改性滌綸織物。

1.4.2 PVC-HGM混合糊制備

將聚氯乙烯糊樹脂(EPVC)、檸檬酸三丁酯(TBC)和環氧大豆油(ESO)按照質量比為100∶130∶7混合，以1 000 r/min的速度攪拌30 min，制備均勻的樹脂糊混合物。

稱取一定量的HGM，緩慢加入到攪拌均勻的PVC樹脂糊混合物中，以600 r/min的速度攪拌60 min，制備HGM體積分數分別為10%、20%、30%的PVC-HGM混合糊；按HGM的體積分數為30%分別稱取平均粒徑為50、60、70 μm的HGM后，再分別緩慢加入到均勻的PVC樹脂糊混合物中，以600 r/min的速度攪拌60 min，制備平均粒徑分別為50、60、70 μm的PVC-HGM混合糊。

1.4.3 復合材料制備

采用接觸成型工藝將1.4.1小節制備的改性滌綸織物平放在模具中，然后將1.4.2小節制備的PVC-HGM混合糊澆注在滌綸織物上面，置入160 ℃烘箱中烘燥15 min，得到滌綸織物/PVC-HGM復合材料試樣。

1.5 性能測試與表征

1.5.1 形貌分析

利用場發射電子顯微鏡(FE-SEM)對HGM的形貌進行觀察，鍍金20 s，測試電壓為10 kV；對復合材料的斷面形貌進行觀察，鍍金25 s，測試電壓為10 kV。

1.5.2 不同粒徑HGM的密度測試

利用全自動表面及孔徑分析儀測試不同粒徑HGM的體積密度，即HGM的質量與其真實體積之比(HGM的真實體積是指去除微珠間孔隙體積的HGM集合體體積)。測試之前首先進行氣密性檢測。測試時，先裝好樣品管和填充棒，測量空管體積V1；然后拆卸樣品管，把質量為M的待測樣品裝進樣品管，隨后把填充棒也裝進樣品管，測量裝入樣品后樣品管體積V2；測試完成后，根據下式計算樣品的真實密度:

ρ=M/(V1-V2)

1.5.3 復合材料面密度測試

參照HB 7736.2—2004《復合材料預浸料物理性能試驗方法 第2部分：面密度的測定》對復合材料的面密度進行測試，試樣尺寸為100 mm×100 mm，測試樣本數為5。

1.5.4 復合材料隔聲性能測試

采用混響室-消聲法測試復合材料的隔聲性能。參照GB/T 19889.3—2005《聲學 建筑和建筑構件隔聲測量 第3部分:建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》，利用VS 302USB雙聲道聲學測試儀(北京聲望電子技術有限公司)對復合材料的隔聲性能進行測試。隔聲測試系統由BSWA-100 型功率放大系統、聲望VS302USB系統、無指向性生源組成，并按照圖1連接。

圖1 隔聲測試系統Fig.1 Measurement system of sound insulation

測試原理為：首先，在不放試樣的情況下，由混響室內的聲源發出粉紅噪聲，待穩定均勻的聲場在混響室內形成后，混響室和消聲室的傳感器分別將兩室的聲信號記錄并送到頻譜分析儀中，記錄噪聲的原始聲壓級降和自由衰減量[11]。然后將待測試樣固定在測試窗口上，以同樣的方式再次記錄，此時得到的數據為總聲壓級降和總衰減量。最后根據下式計算被測試樣的隔聲量：

式中：R為試樣的隔聲量，dB；L1為固定試樣情況下混響室的聲壓級，dB；L2為固定試樣情況下消聲室的聲壓級，dB；L1′為無試樣情況下混響室的聲壓級，dB；L2′為無試樣情況下消聲室的聲壓級，dB。

測試試樣的尺寸為25 cm×25 cm，混響室靜音箱的體積為100 cm×100 cm×100 cm。選擇A計權網絡，噪聲源為90 dB的粉紅噪聲。聲音的取樣頻率、抽取速率選擇位、快速傅里葉變換樣本數分別取48 000、1、8 192。

測試之前，通過聲級校準器對測試系統進行校準。測試時，每種試樣的樣本數為5，每個樣本測試4次。采用Spectra Lab軟件對數據進處理，得到試樣在不同頻率下的隔聲量。

2 結果與討論

2.1 HGM形貌及粒徑分析

圖2示出不同粒徑HGM的形貌。可以看出，采用標準分樣篩分篩出的HGM的尺寸比較均勻，形狀規則，分篩效果較好，能夠滿足實驗設計的需要。

圖2 不同粒徑HGM的形貌Fig.2 FESEM images of HGM with different particular sizes

2.2 不同粒徑HGM體積密度

為了分析粒徑的差異對HGM體積密度的影響，對其體積密度進行測定發現：粒徑分別為50、60、70 μm的HGM的體積密度均在0.38 g/cm3左右浮動，表明HGM粒徑的差異對其體積密度的影響可以忽略不計。這主要是為了滿足不同粒徑的HGM具有同樣的抗壓強度的需要，粒徑越大的HGM，其壁厚也越大。

2.3 復合材料的截面形態

圖3示出HGM體積分數分別為0%、10%、20%、30%的滌綸織物/PVC-HGM復合材料的截面形貌。可以看出，PVC基體平整均一，表面改性滌綸織物與PVC基體界面結合良好[12]，HGM能夠很好地嵌入PVC基體中，完好無損。隨著HGM體積分數的增大，HGM在PVC基體中的分布密度明顯增大。而且在HGM體積分數(30%)較大時，HGM也能夠很好地分散在PVC基體中，沒有發生明顯的團聚現象。

圖3 不同HGM體積分數滌綸織物/PVC-HGM復合材料的截面形貌Fig.3 FESEM imagines of polyester fabric/PVC-HGM composites for different volume fraction of HGM

2.4 隔聲性能

2.4.1 HGM體積分數對隔聲性能的影響

為研究基體材料中HGM體積分數對滌綸織物/PVC-HGM復合材料隔聲性能的影響，制備了基體中HGM的體積分數分別為0、10%、20%、30%的4種試樣。對復合材料基體中HGM體積分數分別為0%、10%、20%、30%的4種試樣的隔聲性能進行測試，結果如圖4所示。可以看出，復合材料基體中HGM的體積分數分別為0%、10%、20%、30%的4種試樣的隔聲曲線變化趨勢大致一致，隔聲量隨著頻率的改變而發生變化。在100～630 Hz的低頻段范圍，4種復合材料試樣隔聲量隨頻率的變化均較小，基本在10 dB上下波動。HGM的體積分數分別為0%、10%的復合材料試樣在頻率為500 Hz處的隔聲量達到最小值，分別為7.55、8.42 dB。HGM體積分數分別為20%、30%的復合材料試樣在頻率為630 Hz處的隔聲量達到最小值，分別為8.30、6.56 dB。在630～10 000 Hz的中、高頻段范圍，4種復合材料試樣除了在1 600、3 150 Hz處出現了由于吻合效應而出現的隔聲低谷外，隔聲量隨頻率的增大而增加得非常顯著。4種復合材料試樣的隔聲量均在8 000 Hz處出現了極大值，分別為27.61、28.98、28.05、29.96 dB。這一現象表明滌綸織物/PVC-HGM復合材料的隔聲性能與剛性材料有很大的不同。

圖4 不同HGM體積分數滌綸織物/PVC-HGM復合材料的隔聲性能Fig.4 Sound insulation property of polyester fabric/PVC-HGM composites for different volume fraction of HGM

根據質量法則，聲音的透過量與材料的質量(面密度)有關。一般來講，材料的面密度越大，其隔聲性能越好。即根據材料的面密度來預測其隔聲性能，材料的隔聲量與材料的面密度的關系可近似地通過下式[13]表達：

R=20lg(mf)-47.5

式中：m為材料的面密度，kg/m2；f為聲波的頻率，Hz。

由公式可知，勻質剛性材料的隔聲性能由材料的面密度和聲波的頻率共同決定。對于同一種試樣，面密度一定，材料的隔聲量與聲波頻率的關系可由對數函數表示。由于中空微珠粒徑的大小不一，而且復合材料內部存在隨機的孔隙，所以滌綸織物/PVC-HGM不是絕對均質材料。厚度基本相同、基體中HGM體積分數分別為0%、10%、20%、30%的4種試樣的面密度如表1所示。

表1 滌綸織物/PVC-HGM復合材料的面密度與厚度Tab.1 Areal density and thickness of polyester fabric/PVC-HGM composites

從表1數據可知：隨著復合材料中HGM體積分數的增大，復合材料的面密度降低，這是因為復合材料中HGM的密度小于其他成分的密度。根據質量定律，復合材料面密度的降低，勢必會引起隔聲量的降低。然而復合材料基體中HGM體積分數分別為0%、10%、20%、30%的4種試樣的隔聲性能卻變化不大。這是由材料的質量效應與HGM增加復合材料的阻尼性能共同作用的結果。

另外，面密度為(1.413±0.064) kg/m2、厚度為(1.62±0.02) mm的滌綸織物/PVC-HGM復合材料(HGM的體積分數為30%)，其隔聲性能與已報道的面密度為0.3 g/cm2、厚度為6 mm的廢棄滌綸織物/氯化聚乙烯復合材料的隔聲性能相當[5]，這說明滌綸織物/PVC-HGM復合材料不僅具有良好的隔聲性能，而且對隔聲材料的輕量化具有積極意義。

圖5示出HGM的體積分數分別為0%、10%、20%、30%的4種試樣的實測隔聲量與用質量法則計算得到的隔聲量的對比。在低頻段，4種復合材料的實測隔聲量均高于用質量法則計算得到的隔聲量，表明在這一頻段材料的隔聲量主要有阻尼和勁度控制。由于PVC材料具有良好的阻尼效應，所以低頻段的隔聲量高于質量法則的計算值。在中、高頻段區域，隨著HGM體積分數的增大，復合材料隔聲量的實測值與用質量法則計算的結果越接近，這表明隨著HGM體積分數的增大，HGM對PVC的阻尼作用的影響越大。

圖5 不同HGM體積分數滌綸織物/PVC-HGM復合材料隔聲量的實測值和計算值Fig.5 Measured and calculated values of sound insulation of polyester fabric/PVC-HGM composites for different volume fraction of HGM

綜合以上分析，相同厚度的滌綸織物/PVC-HGM復合材料試樣，HGM的填充使復合材料的面密度呈線性下降，但其隔聲性能卻保持基本不變。這充分說明了HGM的填充對提高復合材料的隔聲性能具有積極的意義，但是HGM體積分數的增加不能顯著提高滌綸織物/PVC-HGM復合材料的隔聲性能。

2.4.2 HGM粒徑對隔聲性能的影響

采用50、60、70 μm不同粒徑的HGM制備HGM體積分數為30%的復合材料，其隔聲性能如圖6所示。

圖6 不同HGM粒徑滌綸織物/PVC-HGM復合材料的隔聲性能Fig.6 Sound insulation performance of polyester fabric/PVC-HGM composites for different partical size of HGM

從圖6可以看出，隨著復合材料中填充的HGM粒徑的增大，復合材料的隔聲性能提高。由于粒徑不同的HGM密度的差異可以忽略不計，故采用HGM體積分數相同(均為30 %)、粒徑分別為50、60、70 μm的HGM制備的復合材料的差異可以忽略不計;因此，復合材料隔聲性能的提高主要是由于HGM的粒徑越大，其內腔的體積就越大。有文獻表明,HGM腔內只有稀薄的氮氣和二氧化碳氣體，幾乎處于真空狀態;而聲波在真空中不傳播，所以HGM的內腔體積越大，對聲波的阻隔作用越強[14-15]。同時，前人的研究[16-17]發現，粒徑越大的HGM填充復合材料時，復合材料內部的孔隙率越高。而且有研究[18]發現,聲波在黏彈性材料中傳播時，材料中的孔洞可以使聲波的傳播性質發生改變，孔洞的存在不僅能使聲波的傳播產生散射作用，而且能引起聲波的變形和共振，使一部分聲能轉化為熱能而被吸收。

2.4.3 復合材料隔聲機制分析

基于HGM對滌綸織物/PVC-HGM復合材料隔聲性能的影響的分析，以滌綸織物/PVC-HGM復合材料為研究對象，對聲波在復合材料中的傳播過程進行分析，示意圖如圖7所示。

圖7 聲波在復合材料中的傳播路徑示意圖Fig.7 Schematic of sound wave transmition through composites

由于HGM的體積密度遠小于滌綸織物/PVC復合材料的體積密度，所以當HGM填充滌綸織物/PVC復合材料后，必然會引起復合材料面密度的減小。根據經典的面密度與隔聲性能的關系，復合材料面密度的減小，其隔聲性能必然降低。而本文研究的結果與傳統的隔聲材料遵循的質量定律不相符，主要是由于復合材料中的基體材料PVC具有很好的黏彈性，從而使其對聲波具有較強的阻尼作用。同時，HGM對聲波具有較強的阻隔作用。當聲波遇到HGM和滌綸時，聲波將在HGM和滌綸的表面發生多次折射和散射作用，這就使得聲波在復合材料中的傳播路徑延長，聲能的耗散也就相應地增多。因此，當聲波通過滌綸織物/PVC-HGM復合材料后，聲能會有大幅度的衰減。

3 結 論

本文采用接觸成型工藝制備了滌綸織物/PVC-HGM復合材料，主要討論了HGM體積分數對滌綸織物/PVC-HGM復合材料隔聲性能的影響，分析了HGM粒徑對滌綸織物/PVC-HGM復合材料隔聲性能的影響，得到如下主要結論。

1)相同厚度的滌綸織物/PVC-HGM復合材料試樣，隨著HGM體積分數的增加，復合材料的面密度呈線性下降。HGM體積分數的增加不能顯著提高滌綸織物/PVC-HGM復合材料的隔聲性能。

2)隨著HGM粒徑的增大，HGM體積分數相同的滌綸織物/PVC-HGM復合材料的隔聲性能明顯提高。

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