聚氨酯制备总质量对其声学特征参数的影响分析

王永华，刘哲明，许金凯，于化东，张成春，穆罕默德·艾冲

（1.长春理工大学 吉林省精密微制造技术及装备工程实验室，长春 130022；2.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室，长春 130025；3.里昂中央理工大学 流体力学和声学实验室，法国埃居利 69134）

噪声对人们的危害正呈迅猛发展之势，噪声污染已成为当代世界性的问题。控制噪声最根本的方法是依靠吸声材料来达到吸声降噪的目的。

聚氨基甲酸酯，简称聚氨酯，是分子结构中含有重复氨基甲酸酯基（-NHCOO-）的高分子材料的总称。可根据多种要求制成聚氨酯泡沫塑料、橡胶、涂料、粘合剂、合成纤维、合成皮革、防水灌浆材料、热塑性弹性体，生物医用材料等多种产品[1-3]，广泛应用于交通运输、建筑、机械、石油化工、国防、医疗等诸多领域[4-7]。二十世纪七八十年代，国内外开始以PU为吸声基材研究各种复合材料[8]。PU通常被制成多孔型塑料，具有一般多孔材料的吸声特性和柔性材料的阻尼吸声特性，吸隔声性能较好，是一类颇受欢迎的新型声学材料。与常用的超细玻璃棉、岩棉、矿渣棉等纤维性吸声材料相比，具有质量轻，吸声系数高，加工方便，无粉尘污染，防水、防潮、防蛀，适应范围广等优点。因此，PU声学材料及其吸声制品特别受到人们的重视，当今国内外都在大力发展这种新型吸隔声材料[9，10]。但目前研究主要集中于制备条件，如温度，比例，密度等对PU吸隔声性能的影响[11，12]，而对决定材料吸声性能的声学特征参数的研究较少。本文从该角度出发，主要研究制备原材料质量对PU泡沫声学特征参数的影响，为建立制备条件与多孔介质固有特征参数之间的关系奠定基础。

1 材料和方法

1.1 材料选择

多孔材料开孔率高、泡孔均匀，则吸声性能较好。为制备出良好的基体材料，本文所选原材料为聚醚多元醇330N，聚合物多元醇36/28，去离子水，硅油，交联剂二乙醇胺，催化剂A33，催化剂A-1，改性MDI（—NCO的浓度为30%）。每种材料相对于多元醇（以100份计）的比例如表1所示。本实验选择温度55℃，多元醇与改性MDI的比例为100：45，原材料总质量分别为39g、42g、45g、48g、51g进行试验，每次试验重复三次以减小误差。

表1 制备PU的基本配方

1.2 制备方法

本文自制发泡模具选用不锈钢材料，直径为100mm，厚度为40mm。模具及其夹具如图1所示。选用全水一步发泡法制备PU，具体方法为：首先将模具放入烘箱，静置30min至设计的发泡温度；量取改性MDI于一个容器中，为B组分；然后将其余材料混合于同一容器中，为A组分，搅拌均匀后，迅速将B倒入A中，并以2000r/min高速搅拌10～15s，待发白之后，将混合料迅速倒入模具中，用夹具夹紧，待其固化，取出样品。

图1 试验用具

1.3 测量方法

本文主要研究不同密度PU的声学特征参数：流阻、孔隙率、曲率、热特征常数和粘性特征常数。常用的测试方法需要对每个参数采用一个专业的测试设备，耗时，昂贵且所需设备多，使得测试过程非常复杂，本研究中自主搭建的一个快速测试试验台，仅仅采用一个样本，能同时确定材料的多有特征参数，如图2。

阻抗管实验装置示意图如图3所示，主要装置为驻波管，也称阻抗管，横截面为55×55mm2，在驻波管一端放置声源，产生的声波传播向另一端的多孔材料，在管中心处的麦克风接收到通过多孔材料返回的声波，对比声源的声压级得出多孔材料的吸声系数。

图2 设计的快速测试试验台

测试原理为：基于多孔材料吸声系数测试的阻抗管法[4]，主声源产生的声波向样本表面传播，通过麦克风采集管内声压，估算材料的表面阻抗，根据多孔介质Johnson-Allard和Lafarge-Allard两种声传播理论模型推导其特征参数。

图3 阻抗管实验装置示意图

图4 制备的样本

2 测试结果与讨论

2.1 吸声性能测试结果

制备的样品如图4所示。本试验台测试的不同总质量PU的吸声系数与北京声望声电技术有限公司SW系列阻抗管测试的吸声系数结果对比如图5所示。结果表明，虽然吸声系数曲线不同（由于阻抗管尺寸不同），但PU的吸声系数随总质量变化的趋势完全一致。当f＞600Hz时，吸声系数呈下降趋势，对总质量大的泡沫更为明显（48g和51g）。整体而言，总质量为42g制备的PU泡沫具有最佳吸声性能，峰值接近1，低频吸声性能变化不明显。

图5 不同总质量的PU的吸声系数对比

2.2 声速测试结果

测试之前需要先确定设备所在位置的声速和空气密度值，两种方法测试的结果如表2所示（方法一为理想气体状态方程法，方法二为双麦克风法），声速差较小，说明当天的室内空气比较接近理想气体。为了测试准确，本文采用双麦克风法进行测试。

表2 不同总质量的PU测试时的声速和空气密度值

2.3 特征参数测试结果

通过测试和拟合优化得到的各样本的特征参数的值见表3。从表中对比可看出，流阻在20000～30000Pa·s/m之间，随制备质量的变化较大，孔隙率几乎都在0.9以上。各样本的流阻和孔隙率变化如图6所示（a为流阻，b为孔隙率），从图中可以看出，流阻随总质量的变化先降低后升高。总质量在39～45g之间时，随着总质量的增加，样本的流阻值呈下降趋势，45g时流阻最低，之后急剧增加。而孔隙率随总质量的变化趋势与流阻则基本相反，先增大，至48g时到达最大值，而后迅速降低。

表3 不同总质量的PU的特征参数值

2.4 有效性验证

将不同总质量制备的PU泡沫背衬30mm空腔，测试其吸声系数，采用多孔材料声学理想模型Johnson-Allard和Lafarge-Allard模型获得理论预测值，与试验测试值对比结果如图7所示（a为39g，b为42g，c为45g，d为48g，e为51g）。从图中可看出，前三个样本的预测值与试验值吻合良好，如39g，42g，45g，尤其是500Hz以上的中高频段误差非常小，说明总质量较小时的预测值较为准确。但总质量较大时，如48g和51g，模型预测得到的值在中高频比较吻合，低频差距较大，可能是由于质量较大时，PU泡沫发泡过程中压力太大，表层受到挤压导致形成的孔不均匀，较为密实，与多孔材料声学理想模型Johnson-Allard和Lafarge-Allard模型有一定误差。

图7 不同总质量PU的吸声系数预测值与实验值比较

3 结论

不同制备原料总质量对PU吸声系数及声学特征参数有不同的影响。制备了不同原料总质量的PU，并用自制的能够快速测试多孔材料声学参数的试验台，测试了不同总质量PU泡沫的吸声系数，进而计算出其特征参数。与标准阻抗管测试结果比较发现，虽然所使用的阻抗管截面不同，得到的相同样本的吸声系数曲线不同，但总质量对PU吸声性能的影响趋势完全一致。分析了制备质量对PU泡沫的流阻和孔隙率的影响，将得到的特征参数，通过Johnson-Allard模型和Lafarge-Allard模型计算来预测样本在背衬30mm空腔条件下的吸声系数曲线，并与试验测试值进行对比，发现原材料总质量较小时吸声性能远高于质量大时，在原材料质量为45g时效果最好，原材料总质量再增加，材料吸声性能会大幅度降低。