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1、含空气层 CPE/CZ结构材料低 频吸声性能研究姜生 1,2 ,周祥 2，晏雄 1(1.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620；2.南通纺织职业技术学院纺织系，江苏，226007)摘要：利用 SW260 系列的阻抗管测试了由氯化聚乙烯（CPE）作为聚合物基体和 N-环己基- 2-苯并噻唑次磺酰胺（CZ）有机小分子作为第二组分的杂化材料的吸声性能，通过空气层的介入形成结构材料，发现其在低频段具有良好的吸声性能。研究了空气层厚度的变化对吸声峰值大小及对应频率值的影响，测试了 CPE/CZ 系列杂化材料和空气层构成的结构材料的声学性能，并分析了损耗因子及损耗因子双峰对材料声学性能
2、的影响。结果表明，含空气层的 CPE/CZ 结构材料在低频段具有优良的吸声性能。关键词：结构材料；吸声性能；频率；损耗因子1 引言随着工业化生产大型机械的增多和交通工具的家用化进程的加快，人类对舒适环境的要求，振动和噪音已成为危害人的身心健康的主要污染之一，减振降噪技术和减振降噪材料的研究和应用已引起了各国研究者们的极大兴趣。粘弹性阻尼材料兼具有粘性状态下损耗能量的特性和弹性状态下贮存能量的性能，而高聚物具有其他化合物所不具有的粘弹性，各国学者纷纷利用高聚物的这一特性研制、开发和应用阻尼减振降噪材料，在阻尼减振方面的研究较多 1-8，而在阻尼降噪方面主要采用的是多孔性材料 9、薄板共振和空腔共
3、振方式。多孔性吸声材料，例如 PU 泡沫塑料或玻璃纤维，声波在进入多孔材料的孔中利用空气的粘滞和空气在孔中的振荡作用而吸收声能，这种材料一般表现出在高频下具有良好的吸声性能，而在低频条件下吸声性能较差，为了能使这种材料在低频区域也具有良好的吸声性能，材料就必须做得很厚。本文制备了 CPE/CZ 杂化复合材料以研究其在低频段的吸声性能。2 实验部分2.1 原料氯化聚乙烯(CPE)，牌号 H135，山东潍坊亚星化工厂生产，氯化度为 35%；N-环己基-2-苯骈噻唑次磺酰胺(CBS 或 CZ)，南京鑫沛化工有限公司生厂，优级，熔点 99，分子量 264.42, CZ 是高度结晶的低分子化合物。是一种
4、硫化促进剂。其化学结构式分别如图 1所示。图 1.CZ 的化学结构式作者简介：姜生（1971-） ，副教授，博士生。主要从事阻尼、吸声复合材料的开发和研究。 E-mail:。Fig.1 Chemical structure of CZ2.2 试样制备首先，将基体 CPE 在温度为 60的双辊筒混炼机上混合一定的时间；其次 ,按工艺设计称取一定重量的 CPE 初混料和 CZ,和一定重量的 CPE 初混料，分别将不同重量比的CPE、CZ 加以混合，混合过程中不断用刀具横向铲，以使小分子均匀分布在基体中，待混合均匀后用刀具将其取下制备成薄膜；最后将各自的混炼料铺在模具（厚度为 0.5）中，放入温度为
5、 120平板硫化机内，先在初压力为 3MPa 的条件下预熔 3min，再在 10MPa 压力下热压 10min 中，取出迅速在冰水中快速冷却，制备得到试样。2.3 试验方法声学性能测试：采用北京声望技术公司的 SW260 系列的阻抗管，吸声系数的测量安装如图 2 所示。其测试系统 VA-Lab4 IMP-AT 是在四通道数据采集硬件 MC3242 上开发的。图 2 阻抗管测试吸声系数图Fig.2 The assembled diagram of measured sound absorptioncoefficient with an impedance tube动态力学热分析(DMA)：采用美
6、国 Perkin Elmer 公司的 DMA 7e 分析仪，试样尺寸为：长度 12；宽度 4，厚度 0.5左右，采用拉伸模式，升温速率为 5/min ，频率为11Hz，通过 DMA 测试材料的损耗因子和模量变化。3. 结果与讨论3.1 空气层的厚度对吸声性能的影响在测试同一材料 CPE/CZ 100/10 薄膜时，可以通过调节可移动墙来改变样品与可移动墙间空气层的厚度来测试材料的吸声性能，其结果如图 3 所示。图 3 CPE/CZ(100/10w/w)与空气层组合的吸声系数Fig.3 Sound absorption coefficient for structure materials be
7、tween CPE/CZ(100/10 w/w) and air layer.从图中可以看出：(1)随空气层不断的加厚，吸声系数峰值向低频方向移动，空气层从5变化到 25，对应的频率由 1080Hz 变化为 420Hz。分析认为在高分子材料与空气层所组成的结构中，一方面高分子材料中大分子链段运动单元和空气运动单元的多重性而导致结构材料由于厚度的不同而导致不同的吸声峰值频率，不管入射声波频率大小如何，声波要在薄膜材料和空气层所组成的结构中传播，必然一方面引起高分子材料大分子链段的运动；另一方面高分子材料薄膜的振动引起空气层的稀薄与稠密变化。由于高分子材料具有较大的内耗，大分子链段的运动、材料的振
8、动与空气层产生的摩擦、空气层的稀薄与稠密的变化使空气运动单元发生相互作用，这三者的共同作用将声能转化成热能加以消耗。高分子材料薄膜和空气层所组成的结构材料对声波的吸收与共振频率有密切的关系，当结构材料运动单元的速度完全跟得上共振频率变化时，吸收并不明显；当结构材料的运动单元的速度完全跟不上共振频率变化时，吸收也不明显；只有当两者相近时，才会出现明显的吸收。作为一种结构材料随厚度的增加，结构材料的共振频率降低，从而导致在共振频率附近结构材料的具有良好的吸声特性，而远离时，则吸声性能较差，这也就是材料的吸声峰值频率随空气层厚度的增加而不断向低频方向转移的原因。(2)在低频范围内，随空气层厚度的增加
9、，材料的吸声系数明显地增加。一方面是由于空气层厚度的增加，结构材料的总厚度增加所致吸声峰值向低频方向转移，必然导致在低频范围内吸声系数增加，另一方面由于厚度增加，使声波在材料中的传播距离增加，必然导致结构材料能将更多的声能转化成热能而消耗掉，从而使吸声系数峰值升高。3.2 有机小分子 CZ 含量对 CPE/CZ 杂化材料吸声性能的影响在 CPE 中加入 CZ 小分子，随着 CZ 的加入，CPE/CZ 杂化材料的吸声性能如图 4 所示(空气层的厚度是相同的为 15) 。从图中可以看出：(1)随着 CZ 含量的增加，CPE/CZ 的吸声峰值对应的频率向高频方向移动。当 CZ 含量从 0 增加到 4
10、0 时，峰值频率由 490Hz 变化到 690Hz。分析认为这主要是随着 CZ 含量的增加，使制备出来的样品的厚度逐渐变薄，其尺寸如表 1 所示。这也印证了 CPE/CZ 的吸声性能向高频转移的现象，另一方面随 CZ含量的增加，由 DMA 分析的结果可知：材料损耗因子如图 5 所示，由图 5 可知：当 CZ含量不超过 20 时，随 CZ 的增加，只存在一个损耗峰，且损耗因子在增加；当超过 30 时，材料中 CPE 和 CZ 出现了相分离，形成各自的富集态结构，且 CPE 中的 -H 键与 CZ 中的中的 N 形成氢键作用，在远离 CPE 玻璃化温度的高温区出现了一个新的损耗峰，但损耗因子对结构
11、材料吸声峰值频率的影响并不大；(2)随着 CZ 含量的增多，材料的厚度在逐渐变薄，所以声波在材料中传播的距离在缩短，如果没有其他因素影响，吸声系数峰值应该有所下降，然而从图 4 中可以看到随 CZ 含量的增多，吸声系数峰值的大小总体呈上升趋势，分析认为这主要是由于材料的损耗因子对吸声系数的影响所造成的，由此可见，当厚度变化不大，损耗因子就成了影响吸声系数的主要因素；(3)材料的吸声系数大于0.2，则材料就被认为是吸声材料。图 4 中，可以看到：当 CZ 含量达 30 以上时，吸声系数超过 0.2 的作用频率范围 800 之多，而 CZ 含量低于 30 时，作用频率范围远低于 800，分析认为这
12、主要是由于损耗因子的双峰现象所致。图 4 CPE/CZ 杂化体系与 15空气结构材料的吸声系数Fig.4 Sound absorption coefficient for structure materialsbetween CPE/CZ and 15 air layer.表 1.CPE 及 CPE/CZ 试样的实际厚度Tab.1 Thickness of CPE and CPE/CZ samples材料规格 CPE CPE/CZ 100/10 CPE/CZ 100/20 CPE/CZ 100/30 CPE/CZ 100/40厚度/ 0.78 0.65 0.62 0.60 0.57图 5 CP
13、E 及 CPE/CZ 杂化材料的损耗因子随温度的变化曲线Fig.5 Temperature dependence of tan at 11Hz for CPE and CPE/CZ4 结论通过制备 CPE/CZ 杂化材料，经阻抗管测试其吸声系数、材料动态热机械性能的测试，通过分析得到以下几点结论：(1)对于同一 CPE/CZ 杂化材料，在不同的空气层条件下，由于空气层厚度的改变，也就改变了结构材料的总厚度，材料总厚度的改变主要影响其吸声峰值的频率，而对吸声峰值大小的影响较小；(2)对于由不同 CZ 含量的 CPE/CZ 杂化材料，在空气层厚度相同的情况下，不同的杂化材料的损耗因子大小不同，损耗
14、因子的变化对结构材料的吸声峰值有较大的影响，而对频率的影响不大；当 CZ 含量超过 30 时，出现损耗因子双峰现象，吸声系数超过 0.2 的作用频率范围加宽。参考文献：1 WU Chifei, YAMAGISHI Tada-aki, NAKAMOTO Yoshiaki.,et al. Organic hybrid of chlorinated polyethylene and hindered phenol: . dynamic mechanical propertiesJ. Journal of Polymer Science Part B,2000,38:2285-2295.2 WU Ch
15、ifei, YAMAGISHI Tada-aki, NAKAMOTO Yoshiaki.,et al. Organic hybrid of chlorinated polyethylene and hindered PHENOL:. Influence of the chemical structure of small moleculars on viscoelastic propertiesJ. Journal of Polymer Science Part B,2000,38:1496-1503.3 WU Chifei, YAMAGISHI Tada-aki, NAKAMOTO Yosh
16、iaki.,et al. Organic Hybrid of Chlorinated Polyethylene and Hindered phenol: . Influence of the Molecular Weight and Chlorine Content of Polymer on the Viscoelastic PropertiesJ. Journal of Polymer Science Part B,2000,38:2943-2953.4 WU Chifei. Organic hybrid of chlorinated polyethylene and hindered phenol: . modification on dynamic mechanical properties by chlorinated paraffinJ. Journal of Polymer Science
