CN107083019B - 一种隔声复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种隔声复合材料，它以发泡树脂体系和三维纤维织物为原料，将三维纤维织物用聚合物体系预先进行固化成型，然后将发泡树脂体系注入三维纤维织物的中空夹层结构内部进行内部原位发泡复合固化而成。本发明通过对发泡树脂体系的孔隙率、开孔结构和孔径等进行调节，并与具有中空夹层结构的三维纤维织物进行复合，所得复合材料表现出优异的隔音性能，并具有较好的刚性、韧性，且涉及的原料成本低、制备方法简单，具有重要的实际应用价值。

Description

一种隔声复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种隔声复合材料及其制备方法。

背景技术

当前隔声吸声材料应用领域越来越广泛，人们在隔声吸声材料方面的研究也取得了重大的发展，因此复合材料也展现了其优势的一面，在满足了对隔声吸声方面的要求的同时，复合材料能够表现出良好的韧性，优秀的力学表现，因此，对隔声吸声复合材料的研究对材料研究有着积极的推动作用。

由于材料的隔声性能遵循质量定理，在现有的隔声材料中，如隔声墙、隔声板等材料均存在质量大，厚度大等特点，在实际应用中不能任意根据需求裁剪尺寸，而且使用范围也比较窄，而且制作过程较为复杂，不能实现大量快速生产。日本"石井商事株式会社"研究出性能良好的隔音薄膜，它能够有很好的隔声性能，也能够根据需求任意裁剪完全，但是这样的隔声薄膜制作成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种隔声复合材料，该材料的隔声性能优异，并具有较好的刚性、韧性，且涉及的原料成本低、制备方法简单，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种隔声复合材料，它以发泡树脂体系和三维纤维织物为原料，所述三维纤维织物包含上表面、下表面和中空夹层；首先将聚合物体系均匀刷涂于三维纤维织物的上表面和下表面对三维纤维织物进行固化成型，然后将发泡树脂体系注入固化成型的三维织物的中空夹层内，再升温进行使发泡树脂体系在中空夹层内发泡与三维纤维织物复合固化得到所述隔声复合材料。

上述方案中，所述隔声复合材料的总厚度为3-50mm。

上述方案中，所述三维纤维织的上表面和下表面之间的中空夹层由连续的纤维芯柱相接而成；上表面和下表面厚度为0.1～0.2mm，上表面和下表面的网孔孔径为3-5mm，纤维的长度为20-100cm，直径为5-30μm。

上述方案中，所述三维纤维织物进行固化成型后，其上表面和下表面的厚度为0.3-0.6mm。

上述方案中，所述进行固化成型的三维纤维织物的中空夹层的厚度为2-48mm。

上述方案中，所述发泡树脂体系的孔隙率为58-79％，泡孔孔径可达500-600μm，且泡孔分布均匀。

上述方案中，所述发泡树脂体系中各组分及其所占重量份数包括：树脂100份、固化剂20-60份、发泡剂A2-5份、发泡剂B1-2.5份、泡沫稳定剂2-4份。

上述方案中，所述聚合物体系中各组分及其所占重量份数包括：树脂100份、固化剂20-60份，其体系与发泡树脂体系大致相同，不同之处在于未添加发泡剂和泡沫稳定剂。

上述方案中，所述环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂等；可选用聚氨酯、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂等。

优选的，所述树脂为双酚A型E-51环氧树脂。

上述方案中，所述固化剂为针对所选用树脂的常温或高温固化剂，如所选树脂为双酚A型环氧树脂时固化剂可选用改性聚酰胺或双氰胺等。

上述方案中，所述发泡剂A可选用二氯甲烷、三氯三氟甲烷或二氯二氟甲烷等物理发泡剂；采用的物理发泡剂的发泡温度与环氧树脂的固化凝胶时的温度相差很小，可以得到稳定的多孔结构。

优选的，所述发泡剂A为二氯甲烷。

上述方案中，所述发泡剂B为发泡温度比发泡剂A高10-20℃的发泡剂，如所选发泡剂A为二氯甲烷时，发泡剂B可选环戊烷。采用两种发泡剂并用，可以将原来单一发泡剂得到的闭孔型泡沫转变为开孔型泡沫，以得到隔声良好的开孔型泡沫材料。

优选的，所述发泡剂B为环戊烷。

上述方案中，所述泡沫稳定剂为吐温-20、硅油、吐温-80或L-64等；采用的稳定剂可使发泡所得气孔细密均匀，当体系处于低黏度阶段时，可使孔壁稳定，保证气孔生长到适合的程度。

优选的，所述泡沫稳定剂选用硅油。

上述一种新型隔声复合材料的制备方法，它包括如下步骤：

1)首先将聚合物体系均匀刷涂于三维纤维织物的上表面和下表面对三维纤维织物进行固化成型；

2)按配比称取树脂发泡体系的各组分，各组分及其所占重量份数为：树脂为100份、固化剂为20-60份、发泡剂A为2-5份、发泡剂B为1-2.5份、泡沫稳定剂为2-4份；

3)将称取的树脂、发泡剂A、发泡剂B、泡沫稳定剂在300-600r/min的条件下搅拌混合均匀，然后加入固化剂继续搅拌均匀，得树脂发泡体系；

4)所得树脂发泡体系注入经步骤1)固化成型的三维纤维织物的中空夹层内，然后升温至40-50℃发泡50-60min，待树脂发泡体系开始凝结后继续升温至60-80℃进行二次发泡50-60min，最后降温、固化成型，即得所述隔声复合材料。

上述方案中，所述树脂发泡体系的添加量以注入三维纤维织物中空夹层结构并原位发泡填满中空夹层的空间为准。

上述方案中，所述树脂发泡体系的注入量可选用为三维纤维织物质量的1.5-3倍。

本发明的原理为：

本发明通过对泡沫体系的孔隙率、泡孔结构、孔径等进行调节，所得发泡树脂体系的泡孔尺寸可达500-600μm，孔隙率可调至58-79％，泡孔呈开孔结构且分布均匀。将上述树脂发泡体系注入三维纤维织物的中空夹层中，然后原位发泡、固化得到所述新型隔声复合材料，所得材料表现出优异的隔声和力学性能：将声波传入所得隔声材料表面时，声波首先被纤维织物的纤维反射一次，剩余部分进入发泡树脂材料内部，同时由于泡沫的内部通孔产生的阻尼效应而逐渐被消耗，同时在泡沫内部还包含包覆于发泡树脂体系中的纤维芯柱，声波在开孔泡沫内遇到纤维芯柱会继续发生折射和散射，声波再次被泡沫内部通孔的阻尼作用消耗，这样三维织物的内部纤维和泡沫通孔协同作用，显著提高所得材料的隔声性能；同时，由于纤维具有良好的承载能力，且三维织物结构内部纤维相互连接不断，当材料收到载荷时，发泡树脂基体接收并传递载荷，载荷在材料内部传递，不容易产生应力集中，个别断裂的纤维由于发泡树脂基体的作用使得裂纹无法扩散，使所得复合材料表现出优异的力学性能，适合推广应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明采用三维纤维织物作为增强体，与传统的泡沫夹层，蜂窝夹层等相比，其结构更加稳定，不会出现面层与芯层分离的现象；与二维的纤维增强结构复合材料相比，三维结构的失效过程是逐渐的并能更好地保持原有的结构的整体性。

2)本发明首次采用两种类型的发泡剂制备发泡树脂体系，并在三维纤维织物的中空夹层结构内进行原位发泡复合，得到具备良好隔声性能的开孔型泡沫填充复合体系，利用极少的成本，大大提高了材料的隔声性能。

3)本发明所得新型隔声复合材料的隔声性能优异，并具有较好的刚性、韧性，且涉及的原料成本低、制备方法简单，适合推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例1所得产物的剖面结构示意图，图中，1为固化后的三维纤维织物面层，2为纤维芯柱，3为树脂发泡体系。

图2为本发明实施例1所得产物在125Hz-6000Hz频率下的隔声性能与对比例1所得同尺寸发泡隔音材料的隔音性能对比图。

图3为本发明实施例2所得产物在125Hz-6000Hz频率下的隔声性能与对比例2所得同尺寸发泡隔音材料的隔音性能对比图。

图4为本发明实施例3所得产物在125Hz-6000Hz频率下的隔声性能与对比例3所得同尺寸发泡隔音材料的隔音性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的树脂为双酚A型E51环氧树脂，固化剂为改性聚酰胺；使用前将双酚A型E51环氧树脂与固化剂改性聚酰胺固化，通过DSC确定其固化温度范围为40～80℃。

以下实施例中，采用的发泡剂A为二氯甲烷，发泡剂B为环戊烷，稳定剂为硅油。

采用的三维纤维织物为市售三维玻璃纤维织物，它为由玻璃纤维连续编织形成的呈空芯结构的三维编织物，包含上表面、下表面和中空夹层，上表面和下表面之间由位于中空夹层中的连续纤维芯柱相接而成；所述维纤维织物的面层(上表面和下表面)厚度为0.1～0.2mm，上表面和下表面的网孔孔径为4mm，纤维的长度为20～100cm，纤维芯柱的高度为4.2mm，直径为5～30μm；三维纤维织物用聚合物体系刷涂与上、下表面进行固化成型所得上表面、下表面的厚度为0.3～0.4mm。

实施例1

一种隔声复合材料，其制备方法包括如下步骤：

1)首先将三维纤维织物用聚合物体系刷涂与上、下表面进行固化成型，形成具有中空夹层结构的三维纤维织物，所述聚合物体系由100重量份的树脂和30重量份的固化剂混合均匀而成；

2)按配比称取树脂发泡体系的各组分，各组分及其所占重量份数为：树脂100份、固化剂30份、发泡剂A2份、发泡剂B1份、稳定剂2份；

3)将称取的树脂、发泡剂A、发泡剂B、泡沫稳定剂在300-600r/min的条件下搅拌混合均匀，然后加入固化剂继续搅拌均匀，得到树脂发泡体系；

4)所得树脂发泡体系注入(注入量为三维纤维织物质量的1.5倍)固化成型的三维织物的中空夹层结构内，然后升温至40℃发泡60min，待树脂发泡体系开始凝结后继续升温至60℃进行二次发泡，发泡60min，而后固化成型，即得所述新型隔声复合材料(结构示意图见图1)，所得复合材料的总厚度为5mm，其中发泡所得树脂发泡体系的孔隙率为58％，泡孔孔径为500～600μm。

对比例1

一种发泡隔音材料，其配方与实施例1中的树脂发泡体系大致相同，不同之处在不添加发泡剂B，且制备方法中无需进行二次发泡步骤。

将本实施例所得产物和对比例所得发泡隔音材料分别进行力学性能与隔音性能测试，结果表明：本发明所得产物在125Hz时隔音量最高可达48Hz，平均隔音量也达到了44.54Hz(见图2)，远远高于未复合三维纤维织物的发泡隔音体系；且弯曲强度可达135.86MPa，相对对比例1提高了312.4％。

实施例2

一种新型隔声复合材料，其制备方法包括如下步骤：

1)首先将三维纤维织物用聚合物体系刷涂与上、下表面进行固化成型，形成具有中空夹层结构的三维纤维织物，所述聚合物体系由100重量份的树脂和30重量份的固化剂混合均匀而成；

2)按配比称取树脂发泡体系的各组分，各组分及其所占重量份数为：树脂100份、固化剂30份、发泡剂A 3份、发泡剂B 1.5份、稳定剂3份；

3)将称取的树脂、发泡剂A、发泡剂B、泡沫稳定剂在300-600r/min的条件下搅拌混合均匀，然后加入固化剂继续搅拌均匀，得到树脂发泡体系；

4)所得树脂发泡体系注入(注入量为三维纤维织物质量的1.5倍)固化成型的三维织物的中空夹层结构内，然后升温至40℃发泡60min，待树脂发泡体系开始凝结后继续升温至60℃进行二次发泡发泡60min，而后固化成型，即得所述新型隔声复合材料，所得复合材料的总厚度为5mm，其中发泡所得树脂发泡体系的孔隙率为68％，泡孔孔径为500～600μm。

对比例2

一种发泡隔音材料，其配方与实施例2中的树脂发泡体系大致相同，不同之处在不添加发泡剂B，且制备方法中无需进行二次发泡步骤。

将本实施例所得产物和对比例2所得发泡隔音材料分别进行力学性能与隔音性能测试，结果表明：本发明所得产物在125Hz时隔音量最高可达53Hz，平均隔音量也达到了50.58Hz(见图3)，远远高于未复合三维纤维织物的发泡树脂体系；且弯曲强度可达131.34MPa，相对对比例2提高了298.6％。

实施例3

一种新型隔声复合材料，其制备方法包括如下步骤：

1)首先将三维纤维织物用聚合物体系刷涂与上、下表面进行固化成型，形成具有中空夹层结构的三维纤维织物，所述聚合物体系由100重量份的树脂和30重量份的固化剂混合均匀而成；

2)按配比称取树脂发泡体系的各组分，各组分及其所占重量份数为：树脂100份、固化剂30份、发泡剂A4份、发泡剂B 2份、稳定剂4份；

3)将称取的树脂、发泡剂A、发泡剂B、泡沫稳定剂在300-600r/min的条件下搅拌混合均匀，然后加入固化剂继续搅拌均匀，得到树脂发泡体系；

4)所得树脂发泡体系注入(注入量为三维纤维织物质量的1.5倍)固化成型的三维织物的中空夹层结构内，然后升温至40℃发泡60min，待树脂发泡体系开始凝结后继续升温至60℃进行二次发泡发泡60min，而后固化成型，即得所述新型隔声复合材料，所得复合材料的总厚度为5mm，其中发泡所得树脂发泡体系的孔隙率为79％，泡孔孔径为500～600μm。

对比例3

一种发泡隔音材料，其配方与实施例3中的树脂发泡体系大致相同，不同之处在不添加发泡剂B，且制备方法中无需进行二次发泡步骤。

将本实施例所得产物和对比例3所得发泡隔音材料分别进行力学性能与隔音性能测试，结果表明：本发明所得产物在125Hz时隔音量最高可达45.08Hz，平均隔音量也达到了42.17Hz(见图4)，远远高于未复合三维纤维织物的发泡树脂体系；且弯曲强度可达128.82MPa，相对对比例3提高了285.0％。

上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种隔声复合材料，其特征在于，它以发泡树脂体系和三维纤维织物为原料，所述三维纤维织物包含上表面、下表面和中空夹层；首先将聚合物体系均匀刷涂于三维纤维织物的上表面和下表面对三维纤维织物进行固化成型，然后将配制的发泡树脂体系注入经固化成型的三维纤维织物的中空夹层内，再升温使发泡树脂体系在中空夹层内发泡并与三维纤维织物复合、固化得到所述隔声复合材料；具体制备方法包括如下步骤：

1）首先将聚合物体系均匀刷涂于三维纤维织物的上表面和下表面对三维纤维织物进行固化成型；所述聚合物体系中各组分及其所占重量份数包括：树脂100份、固化剂20-60份；

2）按配比称取树脂发泡体系的各组分，各组分及其所占重量份数包括：树脂100份、固化剂20-60份、发泡剂A 2-5份、发泡剂B 1-2.5份、泡沫稳定剂2-4份；

3）将称取的树脂、发泡剂A、发泡剂B、泡沫稳定剂以300-600r/min的搅拌速率混合均匀，然后加入固化剂继续搅拌均匀，得树脂发泡体系；

4）将所得树脂发泡体系注入经步骤1）固化成型的三维纤维织物的中空夹层内，然后升温至40-50℃发泡50-60min，待树脂发泡体系开始凝结后继续升温至60-80℃进行二次发泡50-60min，最后降温、固化成型，即得所述隔声复合材料；

所述发泡剂A为二氯甲烷或二氯二氟甲烷；所述发泡剂B为环戊烷、氯化乙烯或氟代烃；

所述三维纤维织物的上表面和下表面之间的中空夹层由连续的纤维芯柱相接而成；上表面和下表面厚度为0.1-0.2mm，上表面和下表面的纤维编织网孔孔径为3-5mm，纤维的长度为20-100cm，直径为5-30μm。

2.根据权利要求1所述的隔声复合材料，其特征在于，所述隔声复合材料的厚度为3-50mm。

3.根据权利要求1所述的隔声复合材料，其特征在于，所述发泡树脂体系的孔隙率为58-79%，泡孔孔径为500-600μm。

4.根据权利要求1所述的隔声复合材料，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。

5.根据权利要求1所述的隔声复合材料，其特征在于，所述泡沫稳定剂为吐温-20、硅油、吐温-80或L-64。

6.权利要求1~5任一项所述隔声复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）首先将聚合物体系均匀刷涂于三维纤维织物的上表面和下表面对三维纤维织物进行固化成型；

2）按配比称取树脂发泡体系的各组分，各组分及其所占重量份数包括：树脂100份、固化剂20-60份、发泡剂A2-5份、发泡剂B1-2.5份、泡沫稳定剂2-4份；

3）将称取的树脂、发泡剂A、发泡剂B、泡沫稳定剂以300-600r/min的搅拌速率混合均匀，然后加入固化剂继续搅拌均匀，得树脂发泡体系；

4）将所得树脂发泡体系注入经步骤1）固化成型的三维纤维织物的中空夹层内，然后升温至40-50℃发泡50-60min，待树脂发泡体系开始凝结后继续升温至60-80℃进行二次发泡50-60min，最后降温、固化成型，即得所述隔声复合材料。

Images