激励磁场和铁粉含量对磁性聚氨酯泡沫吸声性能的影响*

李赵春，王彩萍，赵玉辰，张家华，王晓杰

(1. 南京林业大学 机械电子工程学院，南京 210037； 2. 中国科学院合肥物质研究院 先进制造技术研究所，江苏 常州 213164)

0 引 言

聚氨酯泡沫是一种典型的多孔型吸声材料，它既有聚氨酯的高分子材料的优良性能，并同时综合了多孔材料和柔性材料的吸声原理[1-4]。因此其具有轻质、吸声系数大、加工方便、防水等优良特性，在车辆、建筑、交通、机器人等领域得到了广泛的关注和应用[5-8]。

磁性聚氨酯泡沫是一种将微米级的磁性颗粒填充到高分子聚合物基体中的智能吸声材料[9-11]。由于磁性颗粒的存在，改变了聚氨酯泡沫的微观结构，从而使材料的声学性能和力学性能具有磁场可控性[12-14]。目前，国内外学者关于磁性泡沫的制备及其声学性能开展了广泛的研究。Scarpa等将2～5 μm的羟基铁颗粒填充至柔性聚氨酯泡沫的基体中，在恒定磁场中测试了材料的吸声系数，发现在一定频带内吸声系数曲线的峰值发生了移动[15]。此外，Scarpa等人还将磁流变液体作为硬质聚氨酯泡沫的涂层研究其声学性能，相比传统的聚氨酯泡沫，有MR涂层的新型聚氨酯泡沫在低频段表现出了更好的吸声特性[16]。Gong等通过原位聚合和发泡法制备了一种新型聚氨酯磁流变泡沫材料，羰基铁粒子的引入改善了800～2 000 Hz频段的吸声性能[17]。王晓杰等研究了羰基铁粉添加和聚醚多元醇与异氰酸酯不同比例对聚氨酯泡沫的物理特征参数和低频吸声性能的影响[18]。课题组前期通过实验发现[12, 19]，磁性颗粒的加入可以在一定程度上提升磁性聚氨酯泡沫在64～500 Hz的低频吸声性能，并研究了聚醚多元醇与异氰酸酯的比例对吸声性能的影响。由此可见，磁性泡沫的研究正在开展广泛，制备原料的类型、配比、制备磁场的强度、磁性颗粒的含量等对材料的吸声性能均产生重要的影响。然而，目前各种制备条件等因素对材料吸声性能的影响和规律，各研究并没有一致并完整的结论。

本文采用一步全水发泡法制备了羰基铁粉含量为15%、40%与80%(质量分数)的各向同性与不同各向异性程度的10种磁性聚氨酯泡沫试样。泡沫的不同各项异性程度由自制的励磁装置对发泡过程中的泡沫施加不同强度的磁场获得，通过对励磁装置电流的调节对泡沫区域分别施加50、100，150和200 mT的均匀磁场。利用阻抗管法，通过测试传递函数从而计算出磁性泡沫试样在64～1 600 Hz范围内的吸声系数曲线，比较分析了激励磁场和铁粉含量分别对吸声性能的影响。

1 实 验

1.1 主要原料

本文以聚氨酯为泡沫基体，羟基铁粉为添加的改性体，利用一步全水发泡法制备磁性聚氨酯泡沫。制备磁性聚氨酯泡沫所需的原料包括：聚醚多元醇、二苯甲基丙烷二异氰酸酯(MDI)、羰基铁粉、发泡剂去离子水、表面活性剂硅油、催化剂二丁基锡二月桂酸等。各原料的具体型号规格和厂家如表1所示。

表1 磁性聚氨酯泡沫的主要原料

1.2 磁场激励下的磁性聚氨酯泡沫制备

磁性泡沫的制备流程如图1所示，首先将A组分各原料混合，即先将聚醚多元醇和羰基铁粉在室温条件下混合均匀，然后依次分别加入发泡剂去离子水、表面活性剂硅油、催化剂二丁基锡二月桂酸，室温下搅拌均匀，充分混合。接下来，将B组分MDI倒入混合好的A组分中，室温下搅拌30s，并快速倒入模具中，同时利用励磁装置对混合原料施加一定强度的磁场，在室温下发泡固化3小时。

图1 磁性聚氨酯泡沫制备的流程Fig 1 Preparation process of magnetic polyurethane foam

根据吸声系数测试所使用的阻抗管内径和管内空间，选取被测试样尺寸为直径100 mm，厚度25 mm的圆柱形泡沫。考虑到模具与磁性聚氨酯泡沫的表面会形成一定的缺陷，因此磨具的泡沫发生区域直径设计为120 mm，有效高度为50 mm。材料制备好后，再利用切割机用热切割的方法将泡沫切割成测试试样的尺寸规格。

励磁装置的作用是给发泡中的泡沫施加磁场，制备出各向异性的磁性聚氨酯泡沫。有文献采用永久磁铁施加磁场[20]，这种方式容易实现，但是磁场强度不便于调节，且磁场不均匀。本文采用课题组设计加工的励磁装置，利用电磁线圈形成磁路，通过调节电流的大小来改变磁场强度从而制备出各向异性程度不同的磁性聚氨酯泡沫。励磁装置的结构示意图和实物图如图1所示，由顶盖、底座、端盖、垫板、模具和绕组线圈等组成。对绕组线圈施加电流形成磁路，磁场从泡沫厚度的方向穿过。

图2 励磁装置Fig 2 Excitation device

本文在不同铁粉含量或激励磁场条件下，制备了10种磁性聚氨酯泡沫试样，具体配方和磁场条件如表2所示。表中，1#～4#试样的铁粉含量均为15%，分别施加了4种不同强度的磁场；5#～8#试样的铁粉含量均为40%，分别施加了4种不同强度的磁场。9#和10#试样为80%，其中9#未施加磁场，即为各向同性材料，10#施加了50 mT的磁场强度。对于铁粉含量过高的磁性聚氨酯泡沫，当制备磁场强度超过50 mT，在磁场的作用下，铁磁颗粒在磁场的作用下发生位移会阻碍泡沫的发泡过程，从而难以形成泡沫的形状。因此，对于铁粉含量为80%的试样制备了两种，即不施加磁场的各项同性材料和施加50 mT磁场的各项异性材料。

表2 磁性聚氨酯泡沫配方

图3为所制备的部分磁性泡沫试样切割的样品，4#、8#和10#试样的铁粉含量分别为15%、40%和80%，制备过程所施加的磁场均为50 mT。切割成方形后的样品可清晰看出材料中的铁磁颗粒大体呈链状分布。

图3 不同铁粉含量的磁性聚氨酯泡沫Fig 3 Magnetic polyurethane foam with different weight percent of iron powder

1.3 吸声性能测试方法

本文采用国标GB/T18696.2—2002中的传递函数法测试吸声系数，采用的仪器为北京声望声电技术有限公司的SW422型阻抗管、MC3242型多通道数据采集仪、MPA416型传声器和PA50型功率放大器。其中，SW422型阻抗管为低频、四传声器，吸声测试频率范围为64～1 600 Hz；MC3242型多通道数据采集仪有4通道输入、2通道输出，测试频率范围为0～20 KHz；传声器为1/4英寸，灵敏度为50 mV/Pa。利用双传声器法测量磁性聚氨酯泡沫的吸声系数测试系统如图4所示。系统需要两个传声器固定在管壁上，其中一个传声器测试管中的入射波，另一个传声器测试反射波，分别将入射声波和反射声波信号转换为电信号。数据采集仪将模拟电信号转换为数字信号，输入计算机软件进行分析和处理，从而得到材料在频率范围的吸声系数。如图4所示，将1#～10#聚氨酯泡沫材料试样分别放入阻抗管内部进行测试，为减小随机误差，每个试样测试3次，取平均值作为该试样的吸声系数曲线。

图4 磁性聚氨酯泡沫吸声系数测试系统Fig 4 Measurement system of sound absorption for magnetic polyurethane foam

2 结果与讨论

2.1 激励磁场对吸声性能的影响

1#～10#磁性聚氨酯泡沫的吸声性能测试结果如图5所示。由吸声系数结果可见，随着激励磁场强度的增加，吸声曲线整体上明显向右移动，曲线的峰值也明显增加，其中铁粉质量分数为40%的试样对应的曲线右移和峰值增加的程度相比质量分数为15%的试样都更为明显。铁粉质量分数为80%的两个试样，磁场的施加其吸声特性曲线表现为更明显的右移趋势。以上现象说明，对于磁性聚氨酯泡沫在制备过程中施加磁场有利于提高中频部分的吸声性能，而在低频部分吸声系数有一定程度上降低。而铁粉质量分数的增加会增强这种趋势。

图5 不同激励磁场的磁性聚氨酯泡沫试样吸声系数测试结果Fig 5 Measurement results of sound absorption coefficient of the magnetic polyurethane foam under different magnetic field intensity

表3 各试样的吸声系数峰值及其对应频率

表3对比了1#～10#磁性泡沫试样的吸声系数曲线的峰值及峰值所对应的频率。其中，从1#～4#试样的对比结果可见，对于铁磁颗粒质量分数为15%的试样，随着材料制备过程激励磁场的增加，吸声系数峰值随之增加，从0.87增大到0.96，且峰值对应的频率也随之增加。由5#～8#试样的对比结果说明，铁磁颗粒质量分数为40%的试样出现了同样的规律，而相比1#～4#试样，其峰值变化范围为0.86～0.98。由此可见，随着铁粉质量分数的增加，磁性聚氨酯泡沫吸声性能的可调范围相应变大。可调范围是评价智能材料性能的重要指标之一，同时也是材料能否适用于工程应用的关键因素。

2.2 铁粉含量对吸声性能的影响

不同铁粉含量条件下制备的磁性聚氨酯泡沫的吸声系数曲线对比如图6所示。由图6可见，吸声系数在几种铁粉含量条件下的吸声系数在中频之后的值总体均较大，其中800～1 600 Hz的吸声系数均大于0.5。图6a，b，c可见，铁粉质量分数为40%的材料相比15%的材料吸声系数总体有所提高，特别体现在中间频段部分。这是因为，铁粉使得聚氨酯泡沫材料的孔腔骨架增厚，网状率会随之增加，声波在材料内部传播过程中所耗散的能量增加。

而在图6d中，铁粉含量高的8#试样相对铁粉含量低的4#试样，吸声特性曲线略向右移，高频部分的吸声系数略有提高，而中低频部分的吸声系数略有减小。这是因为，图6d中的两个试样所施加的激励磁场强度最大，为200 mT。激励磁场的增加，使得磁性聚氨酯泡沫内部铁磁颗粒的链状排列趋势进一步增强，因此泡沫内部的孔腔径受激励磁场的影响也增大。当铁粉含量增加时，更多的铁磁颗粒嵌入泡沫骨架中，减小了材料的流阻率和孔隙率，同时也改变了材料的微观结构。在泡沫生长过程中，孔腔沿颗粒链方向被拉长，从而导致吸声特性曲线有右移的趋势。

图6 不同铁粉含量的磁性聚氨酯泡沫试样吸声系数测试结果Fig 6 Measurement results of sound absorption coefficient of the magnetic polyurethane foam under different iron powder content

由以上结果分析可知，铁粉含量的增加会在总体上提高所测频段吸声系数，尤其是中低频部分。而制备过程中的激励磁场会使吸声特性曲线右移，即中高频部分的吸声系数增大，而低频部分的吸声系数减小。两种制备条件对磁性聚氨酯泡沫材料的吸声特性起到综合影响的作用。

3 结 论

共制备了10种添加不同羰基铁粉含量的磁性聚氨酯泡沫试样，包括15%，40%和80%，并在制备过程中施加了不同强度的磁场，分别为50 mT、100 mT、150 mT和200 mT。制备的10种试样用于测试不同激励磁场和不同铁粉含量对材料吸声性能的影响。得出了以下结论：

(1)制备过程中对磁性聚氨酯泡沫施加某一固定大小的激励磁场，形成各向异性的磁性泡沫材料，材料的吸声性能也随之改变。当激励磁场强度增加，即材料的各向异性程度增加时，吸声系数曲线的峰值随之增大，同时峰值所对应的频率也增大，曲线整体出现右移趋势，提高了中高频部分的吸声系数。对于铁粉含量较多的材料，随着激励磁场强度的增加其吸声系数曲线峰值增加和曲线右移的趋势也更为明显。

(2)铁粉含量的多少对材料的吸声系数有明显的影响。铁粉质量分数大的材料相对于铁粉质量分数小的材料，其吸声系数在整个测量频率范围内总体上有一定程度的提高，特别体现在中间频段。不同的铁粉含量，材料的吸声系数曲线并没有出现明显的频移现象，仅在部分中间频段出现吸声系数值的提升。

(3)磁性聚氨酯泡沫制备时所添加的铁粉含量多少和激励磁场大小对其吸声性能产生综合的影响。当铁粉含量增加，激励磁场强度也同时增加时，吸声系数曲线出现整体提升和整体右移，反之亦然。

(4)磁性泡沫材料展现出较好的吸声性能可设计的特性，本文测试的吸声频率范围是64～1 600 Hz，属于声音信号频率范围的低频，若能在更大的频率范围测试材料的吸声性能，则在可获得制备条件对磁性泡沫材料吸声性能影响更全面的规律。