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        中密度板/橡膠阻尼層狀夾心復合材料的力學與隔聲性能分析

        出自: 密度板 發布時間:2018-03-09 已被瀏覽:335 次

        摘要:將中密度纖維板與橡膠材料層合制備成層狀夾心復合材料,并優化其制備工藝。結果表明:涂膠量對復合材料的彈性模量(MOE)、彎曲強度(MOR)、內結合強度(IB)具有極顯著影響,熱壓壓力對MOE、MOR影響極顯著、對IB影響較小;熱壓時間對MOE、MOR的影響顯著。隨著涂膠量增加,復合材料的隔聲性能提高;熱壓壓力過大將導致橡膠厚度變薄,隔聲性能降低。優化工藝條件下得到的層狀夾心復合材料的隔聲性能優于同等厚度密度板。

        噪聲污染已被列為世界四大污染之一,控制噪聲有效的方式是降低噪聲和隔離噪聲,吸聲與隔聲材料至關重要[1]。單層勻質木質材料的隔聲性能較差,提高其隔聲性能的傳統方法是增加材料的面密度及厚度,既不經濟,又給加工利用帶來不便。新型隔聲材料向著質量輕、厚度薄、隔聲性能好的方向發展[2]。將單層勻質材料與阻尼材料復合,是提高單層材料隔聲性能、并拓寬材料使用范圍的有效方法之一[3]。如以金屬材料為表板、橡膠板為芯層組成的多層復合材料,解決了橡膠材料不能單獨作為結構板材的問題,且復合板材的隔聲性能優于同等厚度的金屬板[4]。合理地選擇表板及芯層材料,可以有效地提高復合材料的隔聲性能[5-6]。復合材料的隔聲性能除了受材料的面密度、彈性模量等影響外,還受材料的硬度和阻尼性能的影響[7]。

        對于阻尼復合結構,目前的研究多是針對金屬阻尼復合結構[8],木質阻尼多層復合結構系統的研究較少[9]。筆者結合木質人造板的復合工藝,通過將木質材料與橡膠材料復合,并優化工藝,制備隔聲性能與力學性能兼優的復合材料,為木質阻尼復合材料的開發研究及應用提供新思路。

        1材料與方法

        1.1試驗材料

        中密度纖維板(密度板):密度650g/m3,厚度6mm,含水率為4.5%,外購。阻尼橡膠(R):密度2.3g/cm3,厚度1.2mm;能承受的溫度范圍為-20~100℃,外購。異氰酸酯膠(MDI):黃色液體,黏度27.5Pa·s(25℃),固體含量(100%),外購。

        1.2主要設備及儀器

        阻抗管測試系統,熱壓機,萬能試驗機等。

        1.3試驗方法

        按照設計的熱壓工藝,密度板與橡膠復合試樣的結構如圖1所示。

        前期預試驗發現,涂膠量及熱壓工藝參數對復合材料的力學性能與隔聲性能均有影響。考慮到橡膠材料能承受的最高溫度為100℃,為了保持其性能,設置熱壓溫度為100℃。熱壓壓力過大時,橡膠材料會向四周伸展,厚度變薄而發生變形;反之,壓力過小時,密度板與橡膠材料不能緊密結合,易出現表板脫落現象。熱壓時間直接影響異氰酸酯膠的固化程度。涂膠量影響復合材料的膠合強度。

        試驗分兩步進行:1)以涂膠量、熱壓時間、熱壓壓力3個因子,進行全因子試驗(表1),以力學性能為評價指標,優化工藝參數;2)采用單因子試驗,驗證工藝參數對材料隔聲性能的影響。

        表1 試驗因素與水平
        水平 因素
        涂膠量/(g· m-2 熱壓時間/min 熱壓壓力/MPa
        1 32 5 3
        2 64 10 5
        3 986 15 -

         

        1.4性能測試

        按照GB/T11718-2009《中密度纖維板》,測試復合材料的彈性模量(MOE)、彎曲強度(MOR)、內結合強度(IB);按照GB/T17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》II類條件,測試浸漬剝離性能。

        按照GB/Z27764-2011《聲學阻抗管中傳遞損失的測量傳遞矩陣法》,利用阻抗管法進行隔聲性能測試。四通道聲學分析儀測試條件:大氣溫度22℃,相對濕度50%,聲速343.237m/s;空氣特征阻抗412.568Pa·s/m。

        2結果與分析

        2.1力學性能

        復合材料的力學性能測試結果列于表2。

        表2 層狀夾心復合材料的力學性能
        序號 涂膠量/(g·m-2 時間/min 壓力/MPa IB/MPa MOR/MPa MOE/MPa
        1 32 5 3 0.85 28.4 3 290
        2 64 5 3 1.31 30.9 3 448
        3 96 5 3 1.51 28.1 3 121
        4 32 5 5 1.44 30.9 3 577
        5 64 5 5 1.16 32.9 3589
        6 96 5 5 1.25 32.8 3606
        7 32 10 3 1.29 29.7 3527
        8 64 10 3 1.24 30.9 3491
        9 96 10 3 1.59 32.6 3555
        10 32 10 5 1.24 35.7 3818
        11 64 10 5 1.33 34.8 3851
        12 96 10 5 1.24 35.7 3818
        13 32 15 3 1.11 31.5 3522
        14 64 15 3 1.48 33.0 3576
        15 96 15 3 1.24 30.7 3363
        16 32 15 5 1.25 30.8 3469
        17 64 15 5 1.41 34.5 3607
        18 96 15 5 1.31 34.4 3639

         

        表3

        表4

        方差分析結果表明,熱壓工藝參數對復合材料的力學性能存在交互作用,因此采用SPSS的Partial過程對變量進行偏相關分析,結果列于表6。

        表5

        表6

        2.1.1涂膠量的影響

        表3、4和5結果顯示,涂膠量對復合材料MOE、MOR、IB的影響極為顯著;表6表明,涂膠量與復合材料的MOE、MOR、IB之間均具有極強相關性。隨著涂膠量增加,密度板與阻尼材料之間有更多的膠黏劑作用,兩者的膠合強度隨之增加。但當涂膠量過大時,膠合界面形成過厚的膠層,復合材料的韌性變差,力學性能隨之下降。

        2.1.2熱壓時間的影響

        表3、4和5結果顯示,熱壓時間對復合材料的MOE、MOR、IB具有顯著影響;但從表6相關系數可知,熱壓時間對此3項力學性能指標的正相關程度為弱或極弱。在本試驗范圍內,復合材料的MOR、MOE和IB隨熱壓時間的延長而增大,但增幅較小,其原因可能是:

        受橡膠阻尼材料能承受的溫度限制,熱壓溫度僅為100℃,低于異氰酸酯膠的常規固化溫度150~160℃,不利于異氰酸酯膠的充分固化。但是,延長熱壓時間,壓力的傳遞和熱量的傳導逐漸增強,可以促進異氰酸酯的固化[10-11],材料界面之間的膠合強度增大,使得復合材料的MOE、MOR、IB提升。

        2.1.3熱壓壓力的影響

        熱壓壓力對復合材料MOE、MOR的影響極為顯著(表3~表5),正相關程度均為中等(表6);而對IB為顯著影響,兩者之間無正相關性。隨著熱壓壓力的增加,密度板與橡膠之間緊密貼合,因此復合材料的MOE、MOR提高。但壓力過大,易導致橡膠材料厚度變薄向四周伸展;壓力過小時,密度板與橡膠材料不能緊密貼合,出現表板脫落現象。

        復合材料主要用作隔聲門表面,在常溫下使用。按GB/T17657-2013Ⅱ類條件進行浸漬剝離測試,所有試樣均未出現開裂和分層現象。因此,以滿足力學性能為前提,以降低成本、提高生產效率為目標,綜合考慮,確定復合材料的優化工藝參數為:涂膠量32g/m2、熱壓時間5min,熱壓壓力3MPa。

        2.2隔聲性能

        按優化的工藝參數,保持其中兩個參數不變,再進行單因子試驗,驗證工藝參數對復合材料隔聲性能的影響。

        2.2.1涂膠量的影響

        圖2所示3條曲線為固定熱壓時間5min、壓力3MPa,涂膠量分別為32、64、94g/m2時,復合材料的隔聲性能測試結果。

        3種板材的面密度分別為1599、1634、1706g/m2,MOR分別為3820、3850、3870MPa。隨著涂膠量的增加,材料的面密度增加,隔聲性能增強。

        在中低頻段,復合材料的隔聲量隨著涂膠量的增加而增加;到達高頻段時,以涂膠量為64g/m2時,復合材料的隔聲性能最佳。另外,復合材料的彈性模量越高,其抵抗聲波引起的振動彎曲能力越強,隔聲性能越強。

        2.2.2熱壓時間的影響

        圖3所示3條曲線為固定熱壓壓力3MPa、涂膠量為64g/m2,熱壓時間分別為5、10、15min時,復合材料的隔聲性能測試結果。

        表4顯示,3條曲線的變化趨勢趨于一致,說明熱壓時間對復合材料的隔聲性能影響較小。熱壓時間的長短主要影響復合時異氰酸酯的固化程度,影響材料的力學性能。

        2.2.3熱壓壓力的影響

        圖4所示4種試樣的制備參數分別為:A、B固定熱壓時間5min,涂膠量32g/m2,壓力分別為3、5MPa;C、D固定熱壓時間10min,涂膠量64g/m2,壓力分別為3、5MPa。

        從圖4中可以看出,壓力3MPa時,試樣的隔聲性能相對較好,平均隔聲量為35.6dB。其原因是在此壓力條件下,密度板與阻尼材料緊密結合,夾心層不會因為壓力過大而產生變形。

        隨著壓力的增加,試樣的隔聲性能并沒有隨之增加。5MPa壓力下制備的復合材料的平均隔聲量為33.9dB,其整體厚度比3MPa壓力制備復合材料的略微變薄,阻尼材料略微變形,導致其隔聲量變小。

        2.2.4隔聲性能驗證

        結合復合材料隔聲性能的檢測結果,進一步優化工藝參數為:涂膠量64g/m2,熱壓壓力3MPa,熱壓時間10min。按此條件制備的復合材料試樣(密度板/R),其與密度板、橡膠材料(R)的隔聲性能比較,如圖5所示。

        圖5結果表明,復合材料的隔聲性能優于同等厚度的單一的密度板。復合材料既擁有木質材料的優點,又彌補了木質材料隔聲性能差的不足。

        3結論

        1)木質材料與阻尼橡膠利用異氰酸酯膠黏劑進行層合制備層狀夾心復合材料,在一定的涂膠量、熱壓時間與壓力條件下是可行的。

        2)根據本試驗結果,確定此層狀夾心復合材料制備的優化工藝參數為:涂膠量64g/m2,熱壓壓力3MPa,熱壓時間10min;在此條件下制備的復合材料的力學性能指標仍滿足GB/T11718-2009中密度板GPREG的性能要求,且隔聲量達到45dB,力學性能及隔聲性能均達到最佳。

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