高分子吸声材料_周洪

第16卷第3期2004年5月

化??学??进??展

PROGRESSINCHEMISTRY

Vol.16No.3??May,2004

高分子吸声材料

周??洪??黄光速

??陈喜荣??何显儒

(四川大学高分子科学与工程学院??四川成都610065)

摘??要??新型吸声材料要求宽频、强吸收且综合性能良好。高分子材料具有粘弹内阻尼的特性,品种繁多,易于进行分子设计、材料设计和成型加工,是满足该技术要求的首选材料。本文结合近年来高分子吸声材料的应用及研究,从吸声机理和结构设计的角度,讨论了高分子材料的声学特性与研究进展,并展望了高分子吸声材料的前景。

关键词??吸声材料??高聚物??吸声机理

中图分类号:TU55??文献标识码:A??文章编号:1005??281X(2004)03??0450??06

AdvancesinSoundAbsorptionPolymers

ZhouHong??HuangGuangsu??ChenXirong??HeXianru

(PolymerScienceandTechnologyInstitute,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

Abstract??Duetoseveraladvantagesoverotherexistingmaterials,includingexcellentviscoelasticityandgoodpro??cessibility,polymersarebroadlyappliedtopreparationofnewsoundabsorptionfunctionalmaterials.Theessentialchar??acters,applicationsandmechanismsofsoundabsorbtionpolymersarediscussedindetail.Thelatestdevelopmentsinthisareaarealsoreviewed.

Keywords??soundabsorptionmaterials;polymers;mechanisms

有机材料。天然纤维材料成本低、吸声频带宽、生产

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一、引??言

随着科技和现代工业的发展,噪声污染已成为世界性难题。同时,随着环保意识的增强,人们对声音环境的要求也越来越高。吸声降噪逐渐演变成为一个有关高科技、环境以及人类协调发展急需解决的重要课题,如安静潜艇的??身隐声??技术,列车高速化所产生的噪声与振动的吸收和隔离等。而作为一

项工程技术,吸声降噪的发展有赖于新材料的发明、创造和应用。显然,吸声降噪新材料的制备、结构与其声学特性是一个学科交叉性的课题,对其进行研究势必促使新的吸声机理的提出,推动应用声学的发展。可以预言,这将是一个充满勃勃生机、富有创造潜力的新领域。

早期的吸声材料主要是棉、麻、毛毡等天然多孔

????收稿:2003年4月,收修改稿:2003年7月??*国家自然科学基金资助项目(No.50273022)**通讯联系人??e??mail:polymer410@sohu.com

简单,但其防火、防潮以及防腐性能差。随后,人们以无机多孔材料来取代天然纤维材料,发展了颗粒型、泡沫型多孔吸声材料如矿渣砖、泡沫玻璃、吸声陶瓷以及无机纤维材料。矿渣砖等材料吸声性能较差,且笨重不便使用。无机矿物纤维材料如玻璃棉等,吸声性能好,阻燃、耐腐蚀,但存在污染环境危害健康等问题。于是,以共振吸声材料(结构)为代表的无纤吸声材料受到重视。但共振吸声材料的吸声频带较窄,一般只适用于中、低频的单频声,长期以来仍不能替代纤维性吸声材料。60年代后期,出现

了泡沫金属、金属纤维等多孔性金属吸声材料,但多孔性金属存在低频吸声性能差、成本高以及工艺条件不易控制等问题。目前,综合性能优异的高分子吸声材料得到了广泛应用

[1??9]

。有机高分子材料具

第3期周??洪等??高分子吸声材料??451??

有粘弹及内阻尼特性,这有利于将阻尼和其它吸声机制同时引入吸声材料中,改善其吸声性能。与其它吸声材料相比,高分子材料更容易通过发泡、压制和挤出等方法加工成型,进行吸声结构的设计。有机高分子品种繁多,也为吸声降噪材料的研制提供了广阔的空间,是近年来吸声材料的研究热点。

孔隙内空气的振动,从而使入射声能一部分乃至全部消耗,达到吸声的效果。发泡吸声材料具有适用频率较宽、成本低、容重小、防潮、吸声性能稳定等优点,而且微孔的引入可改善材料的韧性和耐疲劳性。目前实际应用的主要是聚氨酯和聚苯乙烯泡沫塑料。

有关泡沫吸声材料的研究较多,但在提高吸声和加工成型性能方面还有相当大的空间。微孔对发泡材料的结构及吸声性能有重要影响,而要获得一定特征的微孔会遇到许多实际困难。针对聚氨酯成

[8,9]

型工艺不易控制的问题,Falke、Zaschk等采用特定的多官能团的聚醚多元醇获得了易于成型加工并具有粘性表面的聚氨酯泡沫吸声材料。Mendelsohn等将聚苯乙烯中空多孔微球分散到聚氨酯中,实现对材料微孔特征的控制。所制得的材料具有高的空隙含量、较高的压缩强度、低声波反射性,对频率的变化也相对不敏感。此外,发泡材料存在低频(<500Hz)吸声性能较差的问题。而提高低频吸声性能,通常需要增加材料的厚度或在材料背后留空腔,这意味着增加材料和结构所占的有效空间。毛东兴等根据多孔性吸声材料的第一共振频率由材料的复法向声阻抗率虚部决定的这一原理,在聚氰胺酯泡沫材料的表面涂膜,相当于在材料表面串联一声质量元件,以增大复法向声阻抗的虚部,使第一共振频率向低频方向移动。结果表明,在涂膜密度适当时,吸声性能向低频拓展。但吸声性能向低频拓展的同时,高频的性能将会受到影响。而李旭祥、席莺等则从多孔无机吸声材料的特点出发,制得发泡聚氯乙烯??无机物混合吸声材料,利用无机材料优良的低频吸声性能来改善发泡聚合物材料的低频吸声,同时也改善了发泡聚合物材料的成型工艺。

2??高分子粘弹性吸声材料

利用高分子材料的粘弹内耗性能即阻尼机制,将吸收的声能或机械能(主要是固体声)转变为热能耗散是高分子粘弹性吸声材料主要的吸声机理。高分子粘弹性吸声材料主要用于机械阻尼吸声以及水声吸声,有橡胶、互贯聚合物网络(IPN)材料等。

在粘弹吸声材料中,备受重视的IPN

[15,16]

[12??14][11][10]

二、高分子材料的吸声机理

声波是一种机械能,它的传播必须借助于一定的媒质。而声波在不同的媒质中有不同的传播速度

和损耗。声能的损耗主要是通过粘滞性内摩擦、热传导和弛豫作用来完成的

[1??3]

。在某种意义上,材

料也是声波的一种媒质,因此这三种方式基本上涵盖了声波在材料中的耗散现象,是吸声材料的主要理论基础。

高分子材料的吸声现象涉及到将声能或振动能转换为其它形式的能量,通常是以热能耗散掉。从理论上分析,声能或振动能与热密切相关。在分子层次上,它们的区别仅在于分子位移的矢量方向不同。声能或振动能的特征是,分子位移的矢量方向密切相关,大量分子同时向同一方向移动。而在一定媒质中,热具有和传播声能或振动能相等或更多的能量,但其分子运动方向是无规的,在任意点上分子平均位移为零。因此,声能或振动能的耗散涉及到使分子运动方向无规化。通过高分子材料内界面的增加、粘弹内阻尼以及填料阻抗的合理匹配可实现分子的无规运动,达到吸声的目的。

三、高分子吸声材料

据报道

[2,3,8??10]

,多种高分子材料如聚氨酯、聚

丙烯酸酯、聚苯乙烯、酚醛树脂、聚甲醛、聚氯乙烯等

[2??10]

都可用于吸声降噪。研究结果表明,在高分子材料中,几种吸声耗能机制往往并不相互排斥,可单独或同时作用。因此,高分子吸声材料不仅种类繁多,可通过不同的加工方法制成泡沫型、粘弹型、颗粒型和复合型吸声材料,而且可以通过多种吸声机制协同作用,产生突出的吸声效果。下面从吸声机制、结构及构造的角度对现有高分子吸声材料进行述评。

1??高分子发泡吸声材料

采用不同的树脂和发泡方法可制成性能各异的高分子发泡材料。发泡材料表面富含微孔,入射声波在表面的反射作用降低。同时,材料内部具有许,是由

两种或多种聚合物交联网络的永久性物理互锁形成的。它可以呈现不同程度的相分离形态,存在相界面过渡层,具有高的阻尼值和宽温带松弛转变区,并且易于成型加工,具有优良的耐腐蚀性。此外,阻尼性能突出的小分子??大分子杂化材料开始受到关注。[17]

??452??

化??学??进??展

第16卷

过相分离构造的动态控制和氢键的积极利用,得到极性高分子与受阻酚等小分子的杂化材料具有高的阻尼值。由于氢键会增加材料玻璃化转变温度,通过氢键提高阻尼性能是以牺牲材料低温区性能为代价的。

粘弹吸声材料通常是以覆盖层和填充层的形式与刚性材料层构成阻尼吸声降噪结构,有约束型和非约束型两类。典型的阻尼复合结构采用橡胶作为覆盖层,并在橡胶层下加入高阻尼的粘弹性填充层,然后覆盖到刚性材料层上,从而有效地降低声波的反射,并在一定程度上降低透射。为了进一步提高吸声效果,还可以采用有均匀或非均匀分布小空洞的材料来作填充层(或内层)。研究表明

[18]

机械性能还优于常用的多孔和泡沫吸声材料。

通过对高分子材料为母体的颗粒型微孔结构进行吸声特性研究,刘吉轩等总结出颗粒微孔结构除了具有一般多孔吸声材料的空气粘滞作用吸声外,还存在颗粒材料内部的弹性弛豫效应吸声,因而吸声系数高,尤其是低频吸声系数较高。可见,多孔吸声机制和阻尼吸声机制的有机结合有助于改善吸声性能。

4??高分子复合吸声材料

复合材料既具备良好的吸声性能又具有良好的振动衰减能力,可在空气声和固体声的双重作用下工作。从材料设计角度出发,通过混和与填充填料等方式,将高分子聚合物??弹性体??金属或无机填料等有机结合;或者是从结构设计角度出发,通过将多孔吸声机理、阻尼吸声机理和共振吸声结构合理匹配,实现对噪声最大程度吸收,得到综合性能优异的复合吸声材料是高分子吸声材料设计的主要构想,也是目前研究最活跃的领域之一。

填料是调节材料与声波相互作用特性的重要物质。在填充复合材料中,声音的衰减涉及到破坏分子间非键作用力来增加内摩擦以及重质材料对骨架

[22??24]

的质量负荷作用。Cushman等研究指出,将高或低阻抗的填料与聚合物混合可以降低声、振动和冲击源所产生的噪声,所得材料具有优异的本体吸声性能。METOD公司通过选择软段(如带羟基的树脂)、硬段(如异氰酸酯),配制出具有不同物理性能的聚氨酯材料,包括从软质凝胶状材料到韧性弹性体和硬质塑料。通过加入短链增强树脂,有机、无机填料和空心微球,利用铸塑和喷涂技术,可得到吸声型、阻尼降噪型消声材料。橡胶材料