粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料吸聲性能研究

姚海超，楊啟梁，胡溧，陳紅祥

（1.430081 湖北省 武漢市 武漢科技大學 汽車與交通工程學院；2.430081 湖北省 武漢市 武漢科技大學 化學與化工學院）

0 引言

隨著經濟和科學技術的快速發展，噪聲污染逐漸成為了危害人類健康的因素之一[1]。振動和傳播是噪聲產生的本質，所以控制噪音的主要措施是從聲源、振源以及傳播途徑處減弱噪音，相對應的措施為隔振、吸振、隔音和吸音4 種措施[2]。聚氨酯多孔材料內部有大量連通的泡孔，聲波能夠在材料內部孔隙之間不斷地反射，從而耗散聲波的能量，因此材料具有良好的吸聲性能。且聚氨酯多孔材料具有質輕、制備成本低廉和吸聲性能良好的特點，所以聚氨酯多孔發泡材料成為汽車上最常用的吸音材料之一[3]。但傳統的聚氨酯多孔吸聲材料存在中低頻吸聲性能不理想的缺點，所以聚氨酯復合發泡材料是多孔吸聲材料研究的熱點。在有關研究中，姜洋等[4]重點分析了竹葉和麥稈對聚氨酯發泡材料吸隔聲性能的影響，研究發現，將竹葉、竹葉秸稈和麥稈加入聚氨酯發泡體系中共同發泡能夠顯著改善聚氨酯泡沫材料的吸隔聲性能。因此選擇合適的填料制作聚氨酯復合材料可以有效地改善材料的吸聲性能，使用體積過大的填料可能會堵塞聚氨酯孔隙，從而對聚氨酯發泡材料的吸聲效果提升并不明顯。

粟米殼作為一種天然植物材料，多孔的結構使其具有一定的吸聲性能。為解決填料粒徑過大堵塞聚氨酯泡沫材料內部孔隙的問題，本文以粒徑更為細小的粟米殼微粒作為填料，采用一步法成功制備出具有多孔道連通結構的粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料，研究了粟米殼微粒含量、粒徑大小和材料厚度對吸聲性能的影響。

1 樣品制備

1.1 原材料及設備

1.1.1 實驗材料

聚氨酯發泡原料：采用工業級的聚醚多元醇330N、聚醚多元醇3630、異氰酸酯（MDI）、胺催化劑A1、胺催化劑A33、泡沫穩定劑硅油以及自制的發泡劑去離子水。

粟米殼微粒：將純凈的粟米殼使用打磨粉碎機打成微粒，分別使用75，30，18 目篩子將粟米殼微粒分為0.2 mm 以下、0.2～0.6 mm 和0.6～1.0 mm 三種粒徑范圍，將粟米殼微粒置于80 ℃的電熱恒溫鼓風干燥保溫箱中干燥2 h。

1.1.2 實驗設備

實驗所需設備如表1 所示。

表1 實驗所需設備及型號Tab.1 Equipment and model required for experiment

1.2 粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料的制備

本文采用一步發泡法，按照表2 的配方制作粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料。首先準備好粟米殼微粒，粒徑范圍如前所述，使用電子天平稱取不同粒徑范圍的粟米殼微粒2 質量份、4 質量份、6 質量份和8 質量份，將表2 中原料加入紙杯，并使用增力式電動攪拌器攪拌均勻，待其自由發泡后放入電熱恒溫鼓風干燥保溫箱，在50 ℃下保溫2 h 時期充分熟化，最后將熟化后的粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料使用電熱絲切割機加工成直徑為34.5 mm，厚度為30 mm 的圓柱狀材料（如圖1 所示）進行吸聲性能測試分析。

表2 粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料基礎配比Tab.2 Base ratio of corn shell-polyurethane composite sound absorbing material

圖1 粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料Fig.1 Core shell-polyurethane composite sound absorption material

2 吸聲性能測試

2.1 測試原理

吸聲系數α是評價多孔吸聲材料吸聲性能的重要指標之一[5]。材料吸收和透過的聲能與入射到材料上的總聲能之比，稱為吸聲系數α。當入射聲能被完全反射時，α=0 表示材料沒有吸聲作用。一般來說，所有的材料的吸聲系數α在0～1，即聲波既不可能被完全吸收，也不可能被完全反射。在一定的頻率和相同的條件之下，吸聲系數α越大，則材料的吸聲性能越好。吸聲系數α表達式為

式中：E1——入射聲能；E2——被材料反射的聲能。

本文采用德國西門子公司的LMS Test.lab 阻抗管測試材料的吸聲系數，如圖2 所示。依照ISO 10543-2 標準，在溫度為起伏不大于±1℃、大氣壓力起伏不大于±0.5 kPa 的靜室中測試吸聲系數；在溫度為起伏不大于±1℃、大氣壓力起伏不大于±0.5 kPa 的靜室中測試吸聲系數。每個樣品的測量值取3 次測量后的平均值。

圖2 中，聲傳感器1 和聲傳感器2 的聲壓分別為P1和P2，入射聲壓可以表達為

圖2 LMS Test Lab 阻抗管Fig.2 LMS Test Lab impedance tube

反射聲壓可以表達為

式中：R——反射系數。則傳感器1 與傳感器2 的聲壓可以表示為

式中：x1——聲傳感器1 到吸聲材料的距離；x2——聲傳感器2 到吸聲材料的距離。

式中：s——聲傳感器1 和聲傳感器2 之間的距離，s=x1-x2。

則吸聲系數可表達為

2.2 測試方法

使用傳遞函數法對樣品材料進行吸聲系數的測量[6]。依照ISO10543-2 標準，在溫度起伏不大于±1℃、大氣壓力起伏不大于±0.5 kPa 的靜室中測試吸聲系數。測試樣品在頻率范圍為100～5 000 Hz 的1/3 倍頻程吸聲系數，測試樣品直徑為34.5 mm，厚度分別為50，40，30，20，10 mm。為保證測試的準確性，每個樣品的測量值取3 次測量后的平均值。

2.3 平均吸聲系數

工程中常用平均吸聲系數反映材料總體的吸聲性能。平均吸聲系數是材料在125，250，500，1 000，2 000，4 000 Hz 這6 個頻率吸聲系數的算術平均值[7]。

平均吸聲系數可用式（8）計算：

式 中：α125，α250，α500，α1000，α2000，α4000——材 料在125，250，500，1 000，2 000，4 000 Hz 頻率下的吸聲系數。

3 結果分析

3.1 多孔材料的微觀結構

為了觀察對比聚氨酯多孔吸聲材料和粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料的內部結構，從結構上分析聚氨酯材料的吸聲性能變化，使用偏光顯微鏡觀察聚氨酯泡沫材料和粟米殼-聚氨酯復合泡沫材料的微觀結構，分別如圖3、圖4 所示。從圖4 中可以看出，聚氨酯泡沫的泡孔之間是相互連通的，粟米殼微粒附著于孔壁以及泡孔與泡孔之間的聚氨酯基體之上。對比圖3 和圖4 可以看出，原來聚氨酯泡沫材料的空腔孔壁是比較光滑的，加入粟米殼微粒之后孔壁變得粗糙。從吸聲的角度講，聲波通過空洞時極有可能發生衍射，孔道中的空氣與泡孔孔壁、孔壁上的粟米殼微粒發生摩擦，損耗大量的聲能，從而達到提高材料吸聲性能的效果[8]。

圖3 聚氨酯泡沫微觀結構Fig.3 Microstructure of polyurethane foam

圖4 粟米殼-聚氨酯復合材料微觀結構Fig.4 Microstructure of corn shell-polyurethane composites

3.2 粟米殼含量對材料吸聲性能的影響

圖5 為不同粟米殼微粒配比的粟米殼-聚氨酯復合材料的吸聲系數測試曲線，圖6 為根據式（8）計算出的不同材料平均吸聲系數（測試材料厚度為30 mm）。

圖5 粟米殼粒徑在0.2 mm 以下，添加份數分別為0、2 份、4 份、6 份、8 份時的復合材料吸聲系數曲線Fig.5 Sound absorption coefficient curves of composite materials with grain size of corn shell below 0.2 mm and the number of samples being 0,2,4,6 and 8,respectively

圖6 粟米殼粒徑在0.2 mm 以下，添加份數分別為0、2 份、4 份、6 份、8 份時的復合材料的平均吸聲系數Fig.6 Average sound absorption coefficient of the composite material with grain size of corn shell below 0.2 mm and the number of samples being 0,2,4,6 and 8,respectively

由圖5 可見，添加了粟米殼微粒之后的泡沫材料明顯比未添加粟米殼微粒材料的中低頻吸聲效果要好，材料的吸聲系數峰值頻段由3 130～3 240 Hz降低到了1 530～1 610 Hz。由圖5 可知，在研究范圍內，粟米殼微粒的添加量為6 份時，復合泡沫材料的吸聲性能最好。從圖6 可見，在研究范圍內，粟米殼微粒添加量為6 份時，復合泡沫材料的降噪系數最大。其中，當粟米殼微粒粒徑在0.2 mm 以下、添加為6 份時的聚氨酯泡沫材料平均吸聲系數達到0.57，屬于高效吸聲材料。聚氨酯發泡材料具有多孔結構的特征，材料主要依靠與空氣的摩擦以及泡孔壁的結構振動吸收入射聲波。粟米殼微粒的加入使得材料孔壁變得更加粗糙，與空氣的摩擦加劇，從而提高了材料的吸聲系數。但當粟米殼微粒的添加份數為8 份時，材料的吸聲性能反而沒有添加量為6 份時的好，這是因為當粟米殼微粒的添加量過大時會發生團聚效應，堵塞材料內部孔隙，材料的孔隙率降低，從而吸聲性能降低。

3.3 粟米殼粒徑大小對材料吸聲性能的影響

圖7 為不同粒徑范圍粟米殼填料的粟米殼-聚氨酯復合材料的吸聲系數測試曲線，圖8 為根據式（8）計算出的不同材料平均吸聲系數的數值（測試材料厚度為30 mm）。

圖7 粟米殼含量為2 份，粟米殼粒徑在0.2 mm 以下、0.2～0.6 mm、0.6～1.0 mm 時的復合材料的吸聲系數曲線Fig.7 Sound absorption coefficient curves of composite materials with grain size below 0.2 mm,0.2～0.6 mm and 0.6～1.0 mm when the content of corn shell was 2 parts

圖8 粟米殼含量為2 份，粟米殼粒徑在0.2 mm 以下、0.2～0.6 mm、0.6～1.0 mm 時的復合材料的平均吸聲系數Fig.8 Average sound absorption coefficient of the composite with grain size of corn shell below 0.2 mm,0.2～0.6 mm and 0.6～1.0 mm when the content of corn shell was 2 parts

觀察圖7 和圖8（測試材料厚度為30 mm）可以發現，經過多試驗與測試充分說明，當粟米殼微粒的粒徑在0.2 mm 以下時，復合材料吸聲性能最好；當粟米殼微粒粒徑在0.2 mm 以下，含量為6 份時材料的吸聲系數峰值為0.994，對應頻率為1 530 Hz。由圖7 和圖8 可見，當粟米殼微粒的粒徑增大時，聚氨酯復合材料的吸聲性能逐漸下降。這是因為粟米殼粒徑過大使得粟米殼微粒在聚氨酯泡沫材料中分布不均勻，還有可能會堵塞泡沫材料內部的孔隙，使得孔隙之間不能連通，從而降低材料的吸聲性能。

3.4 厚度對材料吸聲性能的影響

如圖9 和圖10 分別為含粒徑在0.2 mm 以下的粟米殼微粒6 份的粟米殼-聚氨酯復合材料的吸聲系數曲線和平均吸聲系數。

圖9 不同厚度材料的吸聲系數曲線Fig.9 Absorption coefficient curves of materials with different thickness

圖10 不同厚度材料的平均吸聲系數Fig.10 Average sound absorption coefficient of materials of different thickness

從圖9 可知，材料厚度為10 mm 時，材料的低頻吸聲系數較小，高頻吸聲系數較大；在材料厚度為20 mm、30 mm 時，材料表現出較高的中低頻吸聲系數，且中高頻吸聲系數趨于穩定的數值。在材料厚度為40 mm、50 mm 時，材料表現很好的低頻吸聲性能，在高頻表現出較為穩定的數值。隨著厚度的增加，材料在低頻區間的吸聲系數有明顯提高；在高頻表現出較為相近的吸聲系數數值，說明高頻對厚度不太敏感，而且隨著厚度的增加，中低頻吸聲系數的數值增加逐漸變緩。說明當材料的厚度增加到一定程度時，增加材料厚度對提升材料的吸聲效果不大，因此在一定范圍內增加材料厚度可以較大地提高材料中低頻的吸聲性能，但對高頻吸聲系數的影響很小。從圖10 可以看出，材料的平均吸聲系數隨厚度的增加而變大。因此增加材料的厚度能夠提高材料的吸聲性能。

4 結論

本文采用向聚氨酯泡沫塑料中添加粟米殼微粒的方式開發了一種吸聲性能良好的粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料。經過測試與分析得到以下結論：

（1）粟米殼-聚氨酯復合吸聲材料相比于純聚氨酯吸聲材料的峰值吸聲頻段由3 130-3 240 Hz降低到了1 530-1 610 Hz，提高了聚氨酯泡沫材料的中低頻吸聲性能；

（2）向聚氨酯泡沫塑料中加入粟米殼微粒后可提高材料的吸聲性能，在研究范圍內，當粟米殼微粒含量為6 份、粒徑在0.2 mm 以下時復合材料的吸聲性能最好，其吸聲系數峰值可達到0.994，對應頻率為1 530 Hz。下一步可以研究填料粒徑在0.2 mm 以下時，對材料吸聲性能的影響規律；

（3）復合吸聲材料的厚度不同，表現出不同的聲學性能。材料厚度的增加，可以明顯提高材料的中低頻吸聲性能，高頻吸聲性能所受影響較小；隨著厚度的增加，材料的低頻吸聲性能的提高逐漸變緩。本文由于測試條件的限制，僅研究了厚度范圍為10～50 mm 材料的吸聲性能，厚度對材料吸聲性能的影響還需進一步探究。