施雪軍，閆榮學(xué)，杜祥祥，曹可生

(1.平頂山學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.華中科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著聲學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展，各種性能優(yōu)異的隔聲材料不斷出現(xiàn)，從單一的隔聲板材逐步發(fā)展到現(xiàn)在的添加型復(fù)合隔聲材料[1-3].然而，普通的添加型復(fù)合材料隔聲效率不高[4]，一些研究者開始設(shè)計研究新型的隔聲復(fù)合材料，比如多層復(fù)合板隔聲材料,添加具有中空結(jié)構(gòu)顆粒的復(fù)合材料等為隔聲材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3,5-6].

Xia等人[5]研究了低密度聚乙烯/云母片(LDPE/mica)多層復(fù)合材料的隔聲性能，結(jié)果表明：復(fù)合材料的層數(shù)越多，其隔聲性能越優(yōu)異；添加云母片的復(fù)合材料與純聚乙烯多層隔聲材料相比，添加型的LDPE/mica雜化復(fù)合材料的隔聲性能有很大的提高.Shi等人[6]通過空心二氧化硅納米管和環(huán)氧樹脂制備成復(fù)合材料，空心納米管在復(fù)合材料內(nèi)部構(gòu)建無數(shù)空腔而增加聲波的傳播路徑，從而提高復(fù)合材料的隔聲性能，同時復(fù)合材料的力學(xué)性能也得到了提升.Kim等人[7]制備了聚丙烯/黏土/碳納米管(PP/clay/CNT)復(fù)合隔聲材料，實(shí)驗結(jié)果表明:當(dāng)黏土和CNT的添加量分別為4.8%和0.5%時，PP/clay/CNT復(fù)合材料在高頻(3 200～6 400 Hz)時的隔音量達(dá)到21 dB，在低頻(580～620 Hz)時的隔音量達(dá)到14 dB，較純聚丙烯的隔音量有顯著提高.

多孔活性炭擁有與碳納米管近似的化學(xué)組成，同時其擁有疏松多孔的立體結(jié)構(gòu)，有利于在復(fù)合材料基體內(nèi)部構(gòu)建無數(shù)微小空腔，這些微小空腔能夠增加復(fù)合材料基體內(nèi)的界面層，能夠有效增加聲波傳播的路徑.因此，筆者以多孔活性炭為功能填料，性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂為基體，通過共混復(fù)合構(gòu)筑環(huán)氧樹脂/活性炭復(fù)合材料，期待復(fù)合材料具有優(yōu)異的隔聲性能.

1 實(shí)驗部分

1.1 實(shí)驗試劑

雙酚A型環(huán)氧樹脂(epoxy resin，EP)：型號cyd-128，環(huán)氧值0.49～0.54(eq/100 g)，密度1.12 g/cm3，純度≥95%，購于岳陽石油化工廠.4-甲基六氫苯酐：型號shy9690，密度1.12 g/cm3，純度≥97%，購于嘉興市清洋化學(xué)有限公司.2-乙基-4-甲基咪唑(EMI-2,4)：密度0.975 g/cm3，純度≥96%，購于武漢遠(yuǎn)成共創(chuàng)科技有限公司.活性炭(activated carbon，AC)，300目，密度0.500 g/cm3，購于武漢申試化工儀器網(wǎng)絡(luò)有限公司.

1.2 環(huán)氧樹脂/活性炭復(fù)合材料的配方設(shè)計

根據(jù)對該環(huán)氧樹脂、固化劑和固化促進(jìn)劑用量的分析，可知酸酐的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為環(huán)氧樹脂的85,咪唑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為環(huán)氧樹脂的1.0.筆者一共設(shè)計了五組不同活性炭含量的環(huán)氧樹脂/活性炭(EP/AC)復(fù)合材料，得到表1所示配方.

表1 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(EP/AC)配方設(shè)計 g

1.3 環(huán)氧樹脂/活性炭復(fù)合材料的制備

將環(huán)氧樹脂(EP)、活性炭(AC)、酸酐(MeHHPA)、咪唑(EMI-2,4)按表1的配比稱量，放入攪拌盒中，然后將攪拌盒放入自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)混合攪拌機(jī)中，調(diào)節(jié)平衡后進(jìn)行攪拌混合均勻并脫出氣泡，其中混合均勻的條件為：轉(zhuǎn)速1 600 r/min，時間3 min；脫泡條件：轉(zhuǎn)速2 000 r/min，時間1 min；反復(fù)進(jìn)行三次.然后將混合均勻并脫出氣泡的環(huán)氧樹脂/活性炭復(fù)合分散體系在室溫下澆鑄到模具內(nèi)，放入烘箱中逐步升溫固化，在60 ℃、100 ℃、150 ℃下分別固化2 h、2 h及5 h，得到EP/AC復(fù)合材料.

1.4 復(fù)合材料性能測試與結(jié)構(gòu)表征

1.4.1 活性炭及復(fù)合材料斷面形貌表征(SEM)

將復(fù)合材料采用液氮脆斷后的斷面樣品用導(dǎo)電膠粘在銅質(zhì)測試臺，真空噴鉑，再采用荷蘭FEI公司的Quanta 200型掃描電鏡(SEM)觀察EP及復(fù)合材料的斷面形貌，SEM的加速電壓為10 kV.將活性炭粉末粘在導(dǎo)電膠并固定在銅質(zhì)測試臺，真空噴鉑，再用SEM觀察其微觀形貌.

1.4.2 力學(xué)性能測試

采用GB/T 1040.2-2006標(biāo)準(zhǔn)，使用深圳新三思的CMT4104型電子萬能拉伸試驗機(jī)測試環(huán)氧樹脂及復(fù)合材料的拉伸性能，拉伸速率為2 mm/min，每組實(shí)驗測試6根樣條，取其平均值得到材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量.

采用GB/T 9341-2008標(biāo)準(zhǔn)，使用深圳新三思的CMT4104型電子萬能拉伸試驗機(jī)測試環(huán)氧樹脂及復(fù)合材料的彎曲性能，彎曲速率為5 mm/min，每組實(shí)驗測試6根樣條，取其平均值得到材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量.

沖擊測試按照GB/T 1043.1-2008 標(biāo)準(zhǔn)，用簡支梁沖擊試驗機(jī)測試復(fù)合材料的無缺口沖擊強(qiáng)度，每組測試8根樣條，并取其平均值為復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度.

1.4.3 隔聲性能測試

采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司的阻抗管SW466進(jìn)行隔聲性能的測試，分別進(jìn)行復(fù)合材料對低頻段(100 Hz～800 Hz)、中頻段(400 Hz～2 500 Hz)和高頻段(1 600 Hz～6 300 Hz)聲音及不同厚度復(fù)合材料的隔聲性能進(jìn)行測試.測試標(biāo)準(zhǔn)參考ISO 10534-2-1998.

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂/活性炭復(fù)合材料的微觀形貌

圖1是活性炭、環(huán)氧樹脂和不同活性炭含量的環(huán)氧樹脂/活性炭復(fù)合材料斷面掃描電鏡圖.從圖1(a)可知，純環(huán)氧樹脂的斷面比較光滑，即環(huán)氧樹脂在常溫下發(fā)生脆性斷裂，斷面幾乎沒有河流狀小細(xì)紋.

圖1 斷面掃描電鏡圖

當(dāng)加入活性炭后，從圖1(b)、(c)、(d)和(e)復(fù)合材料的照片可以看出，EP/AC復(fù)合材料的斷面都變得相對粗糙一些，出現(xiàn)了河流狀的小細(xì)紋，這可能是因為活性炭在復(fù)合材料斷裂時，其表面的微孔被環(huán)氧樹脂在一定程度上浸入造成了環(huán)氧樹脂固化后嵌入活性炭顆粒表面，進(jìn)而阻止了復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展，引起顆粒表面附近的環(huán)氧樹脂屈服，進(jìn)而增強(qiáng)了復(fù)合材料的力學(xué)性能.當(dāng)活性炭的填充量較低時，活性炭填料在環(huán)氧樹脂基體中分散的較為均勻，沒有出現(xiàn)明顯的界面空隙.但是從圖1(e)也可以看出填料與聚合物基體之間存在一些缺陷，即填料與環(huán)氧樹脂基體的界面相互作用較弱，同時，隨著活性炭含量的增加，填料在基體中出現(xiàn)了不同程度的聚集現(xiàn)象.

圖1(f)為活性炭的SEM照片，其表面為多孔結(jié)構(gòu)，且許多孔洞曲曲折折通往活性炭顆粒的內(nèi)部，正是由于這些多孔通道才使得活性炭顆粒的密度較小，內(nèi)部空腔豐富，這為環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的隔聲奠定了基礎(chǔ).

2.2 環(huán)氧樹脂/活性炭復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.2.1 沖擊性能

圖2是純環(huán)氧樹脂及含有不同體積分?jǐn)?shù)活性炭的EP/AC復(fù)合材料的無缺口沖擊強(qiáng)度.由圖2可知，當(dāng)活性炭的體積分?jǐn)?shù)為0.3時，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值7.82 kJ/m2，較純環(huán)氧樹脂的6.33 kJ/m2提高了近25%.隨著活性炭含量的進(jìn)一步提高，復(fù)合材料的沖擊性能呈現(xiàn)降低的趨勢.這可能是因為低填充量時，活性炭在環(huán)氧樹脂基體中分散較為均勻，與活性炭形成較強(qiáng)的相互作用界面.當(dāng)復(fù)合材料受到?jīng)_擊破壞時，環(huán)氧樹脂基體發(fā)生形變，均勻分散的活性炭粒引發(fā)其周圍的基體發(fā)生屈服吸收破壞能；同時，兩者界面間的相互作用促使活性炭對環(huán)氧樹脂基體的微裂紋擴(kuò)展起到阻礙作用，阻止復(fù)合材料界面出現(xiàn)更大的裂縫，從而實(shí)現(xiàn)對環(huán)氧樹脂基體的有效增韌.

由圖2也可看出，當(dāng)活性炭的體積系數(shù)為1.2時，EP/AC復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為6.92 kJ/m2，略微高于活性炭體積分?jǐn)?shù)為0.6的復(fù)合材料的6.81 kJ/m2，兩者的沖擊強(qiáng)度均略高于純環(huán)氧樹脂，這一點(diǎn)與復(fù)合材料的掃描電鏡照片相對應(yīng)，EP/AC-1.2復(fù)合材料的斷面細(xì)紋比EP/AC-0.6復(fù)合材料更加豐富，河流狀紋路更加清晰，即EP/AC-1.2復(fù)合材料的斷裂更趨向韌性斷裂方式.

圖2 EP和EP/AC復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度

2.2.2 拉伸性能

圖3是純環(huán)氧樹脂及含有不同體積分?jǐn)?shù)活性炭的EP/AC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量.由圖可知，添加少量的活性炭使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增加.如加入體積分?jǐn)?shù)為0.3的活性炭使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度由純環(huán)氧樹脂的48.5 MPa提高到53.9 MPa，提高了11%.這可能是由于當(dāng)活性炭少量時，環(huán)氧樹脂滲透進(jìn)入活性炭孔洞中、活性炭嵌入到環(huán)氧樹脂中，活性炭與環(huán)氧樹脂之間形成較強(qiáng)的相互作用界面.當(dāng)EP/AC復(fù)合材料受到拉伸作用時，應(yīng)力從環(huán)氧樹脂基體傳遞到活性炭中，復(fù)合材料強(qiáng)度增加.

圖3 EP和EP/AC復(fù)合材料的拉伸性能

進(jìn)一步提高活性炭的含量(活性炭的體積分?jǐn)?shù)超過0.3時)，EP/AC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸降低.另外，當(dāng)活性炭的體積分?jǐn)?shù)超過0.6時，EP/AC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度低于純環(huán)氧樹脂.當(dāng)活性炭的體積分?jǐn)?shù)為1.2時，EP/AC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為35.9 MPa，較純環(huán)氧樹脂下降了26%.這可能是因為隨著活性炭含量增加，填料出現(xiàn)不同程度的聚集，活性炭與環(huán)氧樹脂基體界面相互作用變?nèi)?，兩者界面相容性較差，在外界應(yīng)力的作用下，活性炭從聚合物基體中脫粘，成為應(yīng)力集中點(diǎn)，加劇了材料的破壞.

從圖3也可以看出，隨著活性炭含量的增加，EP/AC復(fù)合材料的拉伸模量呈增加的趨勢，均高于純環(huán)氧樹脂.純環(huán)氧樹脂的拉伸強(qiáng)度為1.28 GPa，加入體積分?jǐn)?shù)為0.3的活性炭時，EP/AC復(fù)合材料的拉伸模量達(dá)到1.60 GPa，較純環(huán)氧樹脂提高了25%.當(dāng)活性炭的體積分?jǐn)?shù)為2.4時，EP/AC復(fù)合材料的拉伸模量達(dá)到1.70 GPa，復(fù)合材料的拉伸模量總體上呈現(xiàn)出增高的趨勢，這可能是因為活性炭為剛性粒子的原因，其模量高于純環(huán)氧樹脂，兩者復(fù)合之后高于純環(huán)氧樹脂的模量.

2.2.3 彎曲性能

圖4是純環(huán)氧樹脂及含有不同體積分?jǐn)?shù)活性炭的EP/AC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量.由圖可知，隨著活性炭含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈先增加后減小的趨勢.當(dāng)活性炭體積分?jǐn)?shù)為0.6時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最高值80.4 MPa，比純環(huán)氧樹脂的64.5 MPa提高了24.6%.當(dāng)活性炭體積分?jǐn)?shù)超過0.6時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸降低.而且當(dāng)活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.5時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度低于純環(huán)氧樹脂.此現(xiàn)象的原因與拉伸強(qiáng)度類似，低填充量時，活性炭嵌入到環(huán)氧樹脂中，兩者相互作用較強(qiáng).高填充量時，填料出現(xiàn)聚集，活性炭與環(huán)氧樹脂基體界面相互作用較弱，填料成為應(yīng)力集中點(diǎn)，EP/AC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度降低.

圖4 EP和EP/AC復(fù)合材料的彎曲性能

由圖4也可看出，相比于純環(huán)氧樹脂，加入不同體積分?jǐn)?shù)的活性炭均使EP/AC復(fù)合材料的彎曲模量增加.純環(huán)氧樹脂的彎曲模量為2.57 GPa，加入體積分?jǐn)?shù)為2.4活性炭的EP/AC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到3.60 GPa，較純環(huán)氧樹脂增加了40%.添加了剛性粒子活性炭,使EP/AC復(fù)合材料的彎曲模量均得到提高，均高于純環(huán)氧樹脂的彎曲模量.因此，加入剛性粒子有利于提高環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的模量.

2.3 環(huán)氧樹脂/活性炭復(fù)合材料的隔聲性能

根據(jù)質(zhì)量作用定律，相同條件下，對于同一材料而言，密度越大，厚度越大，隔聲性能越好.聲音傳輸損失值(Sound Transmission Loss，STL)用來反映隔聲性能(單位為dB)，可以根據(jù)式(1)計算[3，6].

STL=-20 lgt.

(1)

式中，t為透過聲能與入射聲能的比值.

筆者測試了EP/AC復(fù)合材料從100 Hz到6 300 Hz的隔聲性能，采用1/3倍頻程中心頻率對應(yīng)的隔聲量來計算材料的平均隔聲性能.由復(fù)合材料密度測試可知，隨著活性炭含量增加，復(fù)合材料的密度較純環(huán)氧樹脂略有降低，但是總體變化不大，故密度對于隔聲性能的影響在此研究中可以忽略.

2.3.1 填料含量對復(fù)合材料隔聲性能的影響

圖5是樣品厚度3 mm時，純環(huán)氧樹脂及不同活性炭含量的EP/AC復(fù)合材料在不同頻率下的隔聲量以及復(fù)合材料的平均隔聲量.從圖5(a)可以看出，幾乎在全部測試頻率范圍內(nèi)，復(fù)合材料的隔聲性能均明顯優(yōu)于純環(huán)氧樹脂，隨著頻率提高，純環(huán)氧樹脂的隔聲量呈現(xiàn)出逐漸提高的趨勢，EP/AC復(fù)合材料的隔聲量先減小后增加直至趨于穩(wěn)定，大約在1 250 Hz左右，復(fù)合材料出現(xiàn)了共振波谷，導(dǎo)致復(fù)合材料的隔聲量大幅度降低.其中在低頻段，復(fù)合材料較純環(huán)氧樹脂隔聲量提高幅度較大；隨著頻率增加，直到中頻段，隔聲效果增加量逐漸減??；在高頻段，復(fù)合材料較純環(huán)氧樹脂隔聲效果增加量趨于穩(wěn)定.

由圖5(a)的結(jié)果可得到3 mm厚的純環(huán)氧樹脂及EP/AC復(fù)合材料的平均隔聲量，其結(jié)果繪制成圖5(b).可以看出，隨著活性炭含量的增加，EP/AC復(fù)合材料的隔聲量逐漸增加.其中純環(huán)氧樹脂、EP/AC-0.3和EP/AC-2.4復(fù)合材料的平均隔聲量分別為17.2 dB、40.9 dB和42.5 dB.活性炭體積分?jǐn)?shù)為2.4時復(fù)合材料的隔聲量較純環(huán)氧樹脂提高了148%，由此表明活性炭的加入顯著提高了復(fù)合材料的隔聲性能.

圖5 不同添加量活性炭復(fù)合材料的隔聲性能

2.3.2 復(fù)合材料厚度對其隔聲性能的影響

圖6(a)是環(huán)氧樹脂及活性炭體積分?jǐn)?shù)為2.4的復(fù)合材料不同厚度的樣品在不同頻率下的隔聲量.從圖中可看出，在整個測試頻率內(nèi)，復(fù)合材料的隔聲性能高于純環(huán)氧樹脂，且隨著復(fù)合材料厚度增加，EP/AC復(fù)合材料的隔聲性能較純環(huán)氧樹脂提高更顯著，當(dāng)厚度增加到12 mm時，復(fù)合材料在共振低谷處的隔聲量亦達(dá)到30 dB.提高復(fù)合材料的厚度，有利于提高其隔聲性能.

圖6 不同厚度復(fù)合材料的隔聲性能

由圖6(a)的結(jié)果可計算得到不同厚度的EP/AC復(fù)合材料的平均隔聲量，其結(jié)果繪制成圖6(b).從圖中可知，復(fù)合材料厚度對其隔聲性能影響顯著，隨著厚度增加，復(fù)合材料的平均隔聲量逐步增大.12 mm厚度EP/AC復(fù)合材料的隔聲量達(dá)到52.4 dB，較3 mm厚度的EP/AC復(fù)合材料提高了23%，較3 mm厚度的純環(huán)氧樹脂(17.2 dB)提高了200%以上.可以得到這樣的結(jié)論：多孔活性炭的加入確實(shí)可以提高復(fù)合材料的平均隔聲量，特別是在復(fù)合材料的厚度較薄時，其提升隔聲性能的效果更加突出；厚度也可以影響復(fù)合材料的隔聲性能，當(dāng)樣品無限厚時，其隔聲量將達(dá)到無窮大，即完全地阻斷聲音的傳播.

3 結(jié) 論

以活性炭為功能填料，采用變溫分段固化工藝制備了環(huán)氧樹脂/活性炭復(fù)合材料，并討論了活性炭含量對復(fù)合材料力學(xué)和隔聲性能的影響.主要研究結(jié)果如下：添加少量活性炭，可提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，當(dāng)活性炭含量進(jìn)一步提高時，復(fù)合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)降低的趨勢；活性炭的加入可有效提高復(fù)合材料的隔聲性能，且隨著活性炭含量的升高，復(fù)合材料的平均隔聲量增加；材料的厚度越大其隔聲量也越高，當(dāng)復(fù)合材料厚度為12 mm時，活性炭體積分?jǐn)?shù)為2.4的復(fù)合材料的隔聲量增加到52.4 dB.該復(fù)合材料也具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，同時隔聲效果顯著，在建筑隔聲材料中具有一定的應(yīng)用潛力.