橡膠吸聲材料與應用
橡膠吸聲材料與應用
隨著現代科技和工業的發展，噪聲污染已經成為**性難題，吸聲降噪逐漸演變為一個有關科技、環境、人類協調發展乃至現代**等各方面的重要課題，各種各樣的吸聲材料隨之產生，其中重要的一支就是高分子吸聲材料。聲波的傳播特點決定了高分子材料成為較佳吸聲材料的可能性，聲波通常以縱波的形式傳播能量，當聲波入射到高分子材料內部時，其中一部分能量必將用于改變高分子鏈和側基的振動而做功，從而達到吸聲的目的。聲波能量傳播受阻是由高分子材料的內耗造成的，即為粘彈性內阻尼特性，尤其是在玻璃化轉變區，這種粘彈性阻尼效應更加突出。
提高高分子材料內耗是提高材料吸聲性能的一種方法，而目前在這方面應用相對較多的是橡膠材料。
1 橡膠材料吸聲原理
橡膠是一種粘彈性高分子材料，內耗相對較大，基體橡膠的相對分子質量分布可調，能適應各種頻率聲波的吸收。橡膠材料有一定的物理性能，可在不同的環境條件下使用。橡膠材料的吸聲率與聲波的頻率有很大關系，一般規律為：隨著聲波頻率的升高，橡膠材料吸聲率增大，當聲波頻率達到某一臨界值時，橡膠材料吸聲率出現大值，此后隨著聲波頻率的繼續增大，橡膠材料吸聲率反而下降。由于多數SR(如IIR，NBR，CIIR和SBR等)的彈性模量溫度系數比NR大，內部摩擦大，容易生熱，更有利于吸收聲波能量，因此SR膠料的吸聲性能比NR膠料好。橡膠材料內耗較大，很大一部分是由基體橡膠微觀結構造成的，如IIR中有較多甲基存在，分子堆積較密，使得這些鏈段移動相對比較困難，內摩擦較大。氰基、氯原子、苯基的存在也有類似作用。
橡膠用作吸聲材料僅僅具有較大的損耗因子(tanδ)還不夠，還必須確保聲波能夠射入其內部，以便于吸收聲波能量，這其中有個參數起決定作用，即特性阻抗。當平面波入射到各向同性的均勻介質表面時，是入射還是反射，取決于材料的特性阻抗。特性阻抗是表征介質本身性質的一個十分重要的物理量，是判斷材料能否作為反聲材料或透聲材料的主要標志之一。當相鄰兩種介質的特性阻抗接近或相等時，稱為“阻抗匹配”，反之稱為“阻抗失配”。只有兩種介質的特性阻抗相同或接近時，聲波在兩介質界面處才不致于發生反射。而橡膠材料的特性阻抗與水接近，而且可以通過改變填料和其它組分來進行調節，這是橡膠材料常用作水聲材料的重要原因。
在一般情況下，聲波在橡膠材料中的傳播速度隨橡膠材料的形態不同而異，其大小依次為固體、液體、氣體，且隨橡膠材料彈性模量的增大而增大。如果在橡膠材料中添加了對模量影響較大的炭黑類配合劑，聲波在橡膠材料中的傳播速度將增大；如果添加軟化劑或增塑劑類配合劑，傳播速度將減小。聲波在硬度較大的橡膠材料中的傳播速率可達1560-1573m·s-1。此外，聲波在橡膠材料中的傳播速度隨溫度的升高而減小，材料伸長率對聲波的傳播速度影響也很大，但趨勢不確定。還同的傳播速度過材料吸聲性能也有一定的影響。
2 橡膠材料吸聲性能的影響因素
盡管橡膠材料的吸聲性能相對較好，但是在不同聲波頻率下其吸聲性能有較大差異，通常表現為高頻時吸聲性能較好，低頻時較差。橡膠材料吸聲性能的影響因素主要有橡膠分子微觀結構、填料和橡膠制品宏觀結構3個方面。
2.1 橡膠分子微觀結構
據文獻報道，某些橡膠本身就具有很好的吸聲性能，可以直接應用在設備上，如NBR，IIR和CIIR等，這些橡膠中的氰基、氯原子和甲基都是較大的側基基團，其存在使得改變分子振動變得困難，因此相應橡膠材料的內耗較大，當一定能量的聲波入射到上述橡膠材料內部時，必將做更多的功才能改變分子的振動，從而消耗更多能量，使聲波相對衰減較快，從而達到消聲的目的。由于橡膠的相對分子質量分布相對較寬，因此其吸聲頻率帶也相對較寬，且其受溫度影響小。無論早期還是現在，橡膠材料均為用量相對較大的吸聲材料。但是橡膠自身特點，如硬度較高和粘接性較差等，限制了其更廣泛的應用，需要通過各種手段進行改善，如加入其它填料改善物理性能等。總之，橡膠本身結構對橡膠材料吸聲性能的影響相對較大，因此膠種的選擇至關重要。
2.2 填料
在橡膠中加入氣泡性的填料會形成均勻空腔，使得入射聲波產生諧振并增大材料的有效厚度，減少聲波能量的傳遞。美國SOAB吸聲橡膠選用鋁粉作為吸聲填料混入橡膠中，但鋁粉在開煉機混煉時容易飛揚，影響人體健康，且鋁粉散布在空氣中易著火，生產**得不到保障，同時價格較高。喬冬平等系統地研究了蛭石粉對橡膠材料吸聲性能的影響，提出在20-60Hz時，蛭石粉用量對膠料tanδ沒有影響；隨著頻率的增大，膠料的tanδ隨蛭石粉用量的增大而減小；在配方和工藝均保持不變的情況下，蛭石粉用量對橡膠材料吸聲性能影響較大，當蛭石粉用量為30-40份時，橡膠吸聲材料的綜合性能較好。鐘愛昇的研究也證實了這點。另外，硫化膠和未硫化膠的吸聲性能也存在一定差異，通常是未硫化膠的吸聲性能較好，硫化體系影響硫化膠的吸聲性能。田斌等研究了硫化體系對SBR吸聲材料性能的影響，指出隨著硫黃用量的增大，膠料的低粘度和高粘度增大，硫化時間和焦燒時間縮短，拉伸強度、拉斷伸長率和回彈值減小，定伸應力和硬度有所增大，tanδ大值變化不大，玻璃化溫度和損耗因子曲線吸收面積受到明顯影響；硫黃/酚醛樹脂并用后，硫化膠拉伸強度和拉斷伸長率減小，硬度變化不大，玻璃化溫度升高，tanδ大值減小，損耗因子曲線吸收面積增大。
2.3 橡膠制品結構
鐘愛昇研究了耐壓低頻吸聲橡膠制品的材料和結構。結果表明，為了使橡膠制品具有較大的吸聲因數而采用尖劈或圓錐狀，可使制品的比表面積增大，這樣既可充分利用制品的厚度，又可利用反射聲波角度等于入射聲波角度的特性，使相鄰兩斜面對反射聲波重復吸收。羅東山等研究了橡膠薄片共振結構吸聲機理，并研究了薄片厚度對吸聲性能的影響，結果表明橡膠薄片共振結構的吸聲因數在某一頻率下隨空氣層厚度改變而出現極大值(即吸收峰)。這是由于入射聲波頻率與橡膠薄片熱振結構的共振頻率相同，即入射聲波的周期性變化與橡膠薄片共振結構的振動“合拍”，聲波的振動方向在整個周期與橡膠薄片共振結構的方向一致，使聲波傳遞給橡膠薄片共振的能量多，且此時的振幅、振速都大，空氣層的壓強變化也大，均有利于損耗聲能，因同一試樣在不同頻率下的吸收峰值不同，隨著橡膠薄片厚度的增大，吸收峰由高頻方向向低頻方向移動。橡膠制品的吸聲性能可以從兩個方面來提高，一是增大有效厚度，使聲波在材料中傳播更遠，從而使能量衰減更多；二是在允許的情況下改變橡膠制品結構，使得聲波入射到橡膠內部后產生諧振，將波長較長的橫波轉變成波長較短的縱波，縱波在橡膠中傳播相對困難，更容易轉化成熱能而損耗掉。基于上述方法設計橡膠制品結構將大幅增大對聲波的吸收。
總之，改善橡膠材料的吸聲性能主要從增大橡膠材料的內耗和橡膠制品的有效厚度著手。具體方法有盡量增大基體橡膠主鏈側基數量和體積以增大橡膠材料的內耗和將材料制備成一定的結構或添加較硬的小球體填料以增大材料的有效厚度等。
3 橡膠吸聲材料的應用
3.1 在輪胎減震降噪方面的應用
輪胎與路面接觸噪聲的產生機理主要是輪胎花紋與路面空隙中空氣的泵吸作用。輪胎在路面上滾動時與路面接觸部位被壓縮變形，輪胎花紋中的空氣被部分或全部擠出，形成了局部不穩定的空氣體積流；同理，路面空隙中的空氣也被不斷地抽吸和壓入，這種氣體漲縮往返的泵吸作用形成了主要的噪聲源。另外，輪胎的振動作用使其在凹凸不平的路面上滾動時產生振動激發噪聲也是輪胎與路面接觸噪聲的起源之一。當輪胎與積水路面接觸時，還會由于濺水發出頻率在1000Hz以上的噪聲。
以上均與輪胎胎面花紋的設計密切相關，可以通過合理的設計將橡膠吸聲材料用于輪胎，使其在滿足輪胎其它性能的同時，具有較大的吸聲因數，如此輪胎行駛過程中產生的噪聲會部分地被胎面耗散掉。但是，隨著吸聲性能的提高，胎面膠內耗增大，導致滾動阻力較大，目前對既能降低滾動阻力又能提高吸聲性能輪胎的研究還有待于單一步深入和完善。
3.2 在水下消聲方面的應用
橡膠材料在水下消聲池中應用時，主要做成錐形，以更大限度地吸收水中的噪聲。吸聲橡膠圓錐是水聲工程用消聲水池和循環水槽的重要組成部分，主要用于消除水池壁、水面和循環水槽艙壁的水聲反射，以便提高測量系統聲場的分布均勻性和穩定性，減小聲測量的系統誤差。目前所知，德國采用石墨填充聚己丁烯制備水聲消聲材料；日本采用紅松木制作吸聲尖劈；美國采用鋁粉填充IIR制備吸聲橡膠圓錐。我國已建成消聲水池，但是技術尚不成熟，有待于進一步研究和提高。
3.3 在消聲瓦方面的應用
橡膠吸聲材料無疑是消聲瓦的優選基材，這是因為橡膠的特性阻抗與水非常接近，聲波很容易從水進入到橡膠中，同時橡膠吸聲材料由于本身的特性，能夠將聲能等其它形式的能量轉化為熱能耗散掉，從而達到衰減聲波的目的。
目前應用較多的消聲瓦基材是IIR，但是IIR的粘接性不好，因此急需改善IIR的粘接性或尋找替代材料。SBR就是其中一種替代材料。雖然SBR的水下吸聲因數較小，但可以通過調節橡膠材料的配方和橡膠制品的結構來改善，例如填充能夠改善吸聲性能的硬脂粒或玻璃微珠等或設計成有一定空隙的半空心體，如此將大大改善吸聲性能，滿足其在消聲瓦方面的應用，目前已有部分SBR應用于消聲瓦，而SBR結構變化方面的巨大潛力終將使其替代其它材料成為消聲瓦的較佳材料。
4 結語
橡膠吸聲材料是吸聲材料中的一個重要分支，了解和分析橡膠吸聲材料的原理和影響因素對于改善橡膠吸聲材料的吸聲性能有著重要的作用，隨著研究的深入，也必將使其在吸聲領域發揮更大的作用。