聚氨酯制備總質量對其聲學特征參數的影響分析

王永華，劉哲明，許金凱，于化東，張成春，穆罕默德·艾沖

（1.長春理工大學 吉林省精密微制造技術及裝備工程實驗室，長春 130022；2.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室，長春 130025；3.里昂中央理工大學 流體力學和聲學實驗室，法國埃居利 69134）

噪聲對人們的危害正呈迅猛發展之勢，噪聲污染已成為當代世界性的問題。控制噪聲最根本的方法是依靠吸聲材料來達到吸聲降噪的目的。

聚氨基甲酸酯，簡稱聚氨酯，是分子結構中含有重復氨基甲酸酯基（-NHCOO-）的高分子材料的總稱。可根據多種要求制成聚氨酯泡沫塑料、橡膠、涂料、粘合劑、合成纖維、合成皮革、防水灌漿材料、熱塑性彈性體，生物醫用材料等多種產品[1-3]，廣泛應用于交通運輸、建筑、機械、石油化工、國防、醫療等諸多領域[4-7]。二十世紀七八十年代，國內外開始以PU為吸聲基材研究各種復合材料[8]。PU通常被制成多孔型塑料，具有一般多孔材料的吸聲特性和柔性材料的阻尼吸聲特性，吸隔聲性能較好，是一類頗受歡迎的新型聲學材料。與常用的超細玻璃棉、巖棉、礦渣棉等纖維性吸聲材料相比，具有質量輕，吸聲系數高，加工方便，無粉塵污染，防水、防潮、防蛀，適應范圍廣等優點。因此，PU聲學材料及其吸聲制品特別受到人們的重視，當今國內外都在大力發展這種新型吸隔聲材料[9，10]。但目前研究主要集中于制備條件，如溫度，比例，密度等對PU吸隔聲性能的影響[11，12]，而對決定材料吸聲性能的聲學特征參數的研究較少。本文從該角度出發，主要研究制備原材料質量對PU泡沫聲學特征參數的影響，為建立制備條件與多孔介質固有特征參數之間的關系奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 材料選擇

多孔材料開孔率高、泡孔均勻，則吸聲性能較好。為制備出良好的基體材料，本文所選原材料為聚醚多元醇330N，聚合物多元醇36/28，去離子水，硅油，交聯劑二乙醇胺，催化劑A33，催化劑A-1，改性MDI（—NCO的濃度為30%）。每種材料相對于多元醇（以100份計）的比例如表1所示。本實驗選擇溫度55℃，多元醇與改性MDI的比例為100：45，原材料總質量分別為39g、42g、45g、48g、51g進行試驗，每次試驗重復三次以減小誤差。

表1 制備PU的基本配方

1.2 制備方法

本文自制發泡模具選用不銹鋼材料，直徑為100mm，厚度為40mm。模具及其夾具如圖1所示。選用全水一步發泡法制備PU，具體方法為：首先將模具放入烘箱，靜置30min至設計的發泡溫度；量取改性MDI于一個容器中，為B組分；然后將其余材料混合于同一容器中，為A組分，攪拌均勻后，迅速將B倒入A中，并以2000r/min高速攪拌10～15s，待發白之后，將混合料迅速倒入模具中，用夾具夾緊，待其固化，取出樣品。

圖1 試驗用具

1.3 測量方法

本文主要研究不同密度PU的聲學特征參數：流阻、孔隙率、曲率、熱特征常數和粘性特征常數。常用的測試方法需要對每個參數采用一個專業的測試設備，耗時，昂貴且所需設備多，使得測試過程非常復雜，本研究中自主搭建的一個快速測試試驗臺，僅僅采用一個樣本，能同時確定材料的多有特征參數，如圖2。

阻抗管實驗裝置示意圖如圖3所示，主要裝置為駐波管，也稱阻抗管，橫截面為55×55mm2，在駐波管一端放置聲源，產生的聲波傳播向另一端的多孔材料，在管中心處的麥克風接收到通過多孔材料返回的聲波，對比聲源的聲壓級得出多孔材料的吸聲系數。

圖2 設計的快速測試試驗臺

測試原理為：基于多孔材料吸聲系數測試的阻抗管法[4]，主聲源產生的聲波向樣本表面傳播，通過麥克風采集管內聲壓，估算材料的表面阻抗，根據多孔介質Johnson-Allard和Lafarge-Allard兩種聲傳播理論模型推導其特征參數。

圖3 阻抗管實驗裝置示意圖

圖4 制備的樣本

2 測試結果與討論

2.1 吸聲性能測試結果

制備的樣品如圖4所示。本試驗臺測試的不同總質量PU的吸聲系數與北京聲望聲電技術有限公司SW系列阻抗管測試的吸聲系數結果對比如圖5所示。結果表明，雖然吸聲系數曲線不同（由于阻抗管尺寸不同），但PU的吸聲系數隨總質量變化的趨勢完全一致。當f＞600Hz時，吸聲系數呈下降趨勢，對總質量大的泡沫更為明顯（48g和51g）。整體而言，總質量為42g制備的PU泡沫具有最佳吸聲性能，峰值接近1，低頻吸聲性能變化不明顯。

圖5 不同總質量的PU的吸聲系數對比

2.2 聲速測試結果

測試之前需要先確定設備所在位置的聲速和空氣密度值，兩種方法測試的結果如表2所示（方法一為理想氣體狀態方程法，方法二為雙麥克風法），聲速差較小，說明當天的室內空氣比較接近理想氣體。為了測試準確，本文采用雙麥克風法進行測試。

表2 不同總質量的PU測試時的聲速和空氣密度值

2.3 特征參數測試結果

通過測試和擬合優化得到的各樣本的特征參數的值見表3。從表中對比可看出，流阻在20000～30000Pa·s/m之間，隨制備質量的變化較大，孔隙率幾乎都在0.9以上。各樣本的流阻和孔隙率變化如圖6所示（a為流阻，b為孔隙率），從圖中可以看出，流阻隨總質量的變化先降低后升高。總質量在39～45g之間時，隨著總質量的增加，樣本的流阻值呈下降趨勢，45g時流阻最低，之后急劇增加。而孔隙率隨總質量的變化趨勢與流阻則基本相反，先增大，至48g時到達最大值，而后迅速降低。

表3 不同總質量的PU的特征參數值

2.4 有效性驗證

將不同總質量制備的PU泡沫背襯30mm空腔，測試其吸聲系數，采用多孔材料聲學理想模型Johnson-Allard和Lafarge-Allard模型獲得理論預測值，與試驗測試值對比結果如圖7所示（a為39g，b為42g，c為45g，d為48g，e為51g）。從圖中可看出，前三個樣本的預測值與試驗值吻合良好，如39g，42g，45g，尤其是500Hz以上的中高頻段誤差非常小，說明總質量較小時的預測值較為準確。但總質量較大時，如48g和51g，模型預測得到的值在中高頻比較吻合，低頻差距較大，可能是由于質量較大時，PU泡沫發泡過程中壓力太大，表層受到擠壓導致形成的孔不均勻，較為密實，與多孔材料聲學理想模型Johnson-Allard和Lafarge-Allard模型有一定誤差。

圖7 不同總質量PU的吸聲系數預測值與實驗值比較

3 結論

不同制備原料總質量對PU吸聲系數及聲學特征參數有不同的影響。制備了不同原料總質量的PU，并用自制的能夠快速測試多孔材料聲學參數的試驗臺，測試了不同總質量PU泡沫的吸聲系數，進而計算出其特征參數。與標準阻抗管測試結果比較發現，雖然所使用的阻抗管截面不同，得到的相同樣本的吸聲系數曲線不同，但總質量對PU吸聲性能的影響趨勢完全一致。分析了制備質量對PU泡沫的流阻和孔隙率的影響，將得到的特征參數，通過Johnson-Allard模型和Lafarge-Allard模型計算來預測樣本在背襯30mm空腔條件下的吸聲系數曲線，并與試驗測試值進行對比，發現原材料總質量較小時吸聲性能遠高于質量大時，在原材料質量為45g時效果最好，原材料總質量再增加，材料吸聲性能會大幅度降低。