橡胶材料在水声领域的应用进展

吴宝全

摘要：橡胶材料具有阻尼性能优异、声阻抗可调、易于配方调整和加工成型的特点，在水声领域应用广泛。从橡胶材料的粘滞性吸收机理、热传导吸收机理和分子弛豫吸收机理出发，总结提高橡胶材料吸声性能的途径主要为制备填料填充或橡胶并用的共混改性型以及结构型吸声橡胶材料；基于理论设计和实际应用，阐述透声和反声橡胶材料的研究进展；指出水声橡胶材料目前面临的挑战和今后的发展方向。

关键词：橡胶材料；水声材料；吸声材料；透声材料；反声材料；声学性能

引言

近几年，随着城镇化进程的不断加快，建筑材料的需求量也逐年增加。天然砂石等自然资源消耗严重，导致建筑垃圾不断增多。据统计我国每年产生的建筑垃圾达到10亿吨以上，因此由废弃结构制备的再生结构将成为未来结构的发展趋势。与普通结构相比，再生结构的抗冻性能较差，制约了再生结构的发展。当再生结构中加入废弃橡胶颗粒，一定程度上提高了再生结构的韧性，并且抗冻性能也得到了提升。抗冻性是评价结构耐久性的重要指标之一，严寒地区的结构冻害现象尤为严重。我国东北、华北和西北地区气候条件恶劣，年均温度低，水工建筑物干湿交替频繁，大坝、港口、城市景观河道、输水工程等水工结构冻融破坏严重。大部分学者仅单一研究了橡胶结构或者是再生结构的冻融损伤，将两者结合起来的研究却比较少。因此本文结合目前国内外研究现状，分别阐述了橡胶和再生骨料在冻结方面的损伤影响以及提高抗冻性能的改善措施。

1橡胶材料辐照老化的影响因素

橡胶的耐辐照性能，是指在一定的辐照作用下橡胶保持其固有的物理、化学和力学性能的能力。橡胶受到射线辐照，分子链将发生交联和降解作用，这可能产生自由基，也会导致分子链的不饱和键含量发生变化，最终造成化学结构的变化，而这些变化在宏观上影响着橡胶的性能。橡胶通常是由几千到上万个单体单元聚合而成，辐照引起的交联和降解都会导致分子量和分子量分布的变化，而橡胶的性能依靠于分子链的长度和排列方式，因此辐照产生的极微小的化学变化，都会对橡胶的弹性、硬度和力学强度等性能产生巨大的影响。辐照老化是指橡胶在高能辐照作用下，主链吸收一定的辐照能量后发生断裂的过程，过高的辐照能量甚至会导致主链断裂成两个以上的短链，使平均分子量下降。根据对某些具体橡胶辐照老化机制的推论，主要可分为两类，一类认为橡胶主链在高能辐照作用下，直接分解为许多短链，而这些短链将稳定下来，这种理论称为主链的多重断裂。另一类则认为，橡胶辐照老化过程会生成自由基，自由基进一步与橡胶分子链进行重排或歧化反应，生成稳定的短链。这种理论认为橡胶分子链的断裂程度受初始断裂生成的自由基行为的影响。虽然橡胶辐照老化的机制至今仍在研究，但根据目前的研究成果，一般认为辐照老化主要是由于自由基反应。

2共混改性型吸声橡胶材料

吸声橡胶材料主要有共混改性型和结构型两类，共混改性型又可以分为填料填充型和橡胶并用型。填料填充型吸声橡胶材料是在橡胶中加入各种无机或有机填料如玻璃微珠、蛭石粉、石墨烯和受阻酚类有机物等，利用声波在填料与橡胶基体的界面间发生波形转换或者是增强橡胶分子与有机小分子间的相互作用，从而实现提高吸声性能的目的；橡胶并用的目的是增大橡胶材料的模量和拓宽阻尼温域，提高在高压下的吸声性能。具有声学空腔结构的橡胶材料在空腔结构处产生声波共振或发生反射，增加声波的传播路径，从而提高吸声性能。当向橡胶中加入蛭石粉和空心玻璃微珠这类气泡型填料时，会引起其中的空气粘滞性吸收，同时声波在填料与橡胶基体的界面处会发生波形变换，由纵波变换成横波，从而使声波损耗。研究了蛭石粉用量对粉末NBR复合材料吸声性能的影响，结果表明随着蛭石粉用量的增大，复合材料的中低频吸声性能先明显改善，当蛭石粉含量为35%时，复合材料的吸声性能最好。发现蛭石粉用量对橡胶材料的力学性能影响不大，但橡胶材料的吸声性能随着蛭石粉用量的增大而提升，当蛭石粉用量为30～40份时，橡胶材料的吸声性能优异。采用硅烷偶联剂KH-570对空心玻璃微珠进行改性，以提高其与SBR基体间的相容性。结果表明，与未填充空心玻璃微珠的SBR复合材料相比，填充改性空心玻璃微珠的SBR复合材料的力学性能和低频（3～4.5kHz）吸声性能得到改善。

3改变分子内部结构

改变高分子橡胶材料分子内部结构是应对其老化问题的根本措施。由于高分子橡胶材料的老化主要与其自身分子结构有关，所以从其结构出发来进行防治才能根本上提升高分子橡胶材料分子内部结构的稳定性，从而缓解高分子橡胶材料老化对材料性能产生的不良影响。由于高分子橡胶材料分子结构较为复杂，其中的不饱和键、弱键是引发高分子橡胶材料分子结构不稳定性的主要原因。尽管通过已有的技术尚且不能也不应该完全消除高分子橡胶材料中的弱键以及不饱和键，因为不饱和键是橡胶材料特有的分子结构，对其保持弹性的物理特征具有重大影响。但是可以适当避免高分子橡胶材料分子结构中弱键以及不饱和键的增加，以此提升高分子橡胶材料分子内部结构的稳定性，有效延长高分子橡胶材料的使用寿命。

4纤维的影响

对玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土（BSFC）的抗冻性能进行研究，为探究玄武岩纤维对冻融后BSFC抗压强度的影响，定义玄武岩纤维贡献率来定量表征玄武岩纤维的影响程度。结果表明玄武岩纤维的贡献率在不同冻融循环次数下呈现上升趋势，并且在纤维掺量为0.18%时对BSFC抗冻性能提高最佳。玄武岩纤维对于抗冻性能提高有显著的增强效果。纤维混合在混凝土中形成错综复杂的乱向结构，在早期水泥硬化过程中，由于温度变化引起混凝土体积变形收缩，产生拉应力。而纤维具有良好的韧性，能够承担一部分的拉应力，从而缓解裂缝的发展。在冻结过程中，微裂缝要承受水变成冰的冻胀压力，部分纤维贯穿裂缝，可以承受分担一部分力，缓解冻结损伤对混凝土的劣化作用。

结语

水声橡胶材料的应用始于20世纪，经过不断地研究和发展，吸声橡胶材料、透声橡胶材料和反声橡胶材料的应用逐步推广，且随着水声探测技术的发展，对其提出了更高要求。目前，水声橡胶材料的应用仍存在诸多问题。（1）现有的吸声橡胶材料的吸声频段较窄，同时随着低频声呐技术的发展，要求吸声橡胶材料具有优异的低频吸声能力和宽的吸收频段。随着水压力的增大，吸声橡胶材料的自由体积减小，吸声性能下降，需要开发耐压的吸声橡胶材料。对于声波耗散机理的研究还需要深入，应从声波耗散的机理出发，有针对性的设计吸声橡胶材料。对于无机填料在橡胶基体中的分散状态与橡胶材料吸声性能之间的关系还需更深入的探索。声学超材料的出现，为宽频吸声橡胶材料的开发提供了新的思路，但声学超材料在结构设计、生产和应用方面都面临挑战。（2）透声橡胶材料主要应用于舰艇的声呐导流罩和换能器包覆层，应用环境严苛，这要求透声橡胶材料在具备优异透声性能、耐腐蚀性能和防污性能的同时，还要具备一定的水密性能。

参考文献

[1]全国声学标准化技术委员会.声学水声材料样品插入损失、回声降低和吸声系数的测量方法：GB/T14369—2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

[2]华幼卿，金日光.高分子物理[M].北京：化学工业出版社，2013.