粟米壳-聚氨酯复合吸声材料吸声性能研究

姚海超，杨啟梁，胡溧，陈红祥

（1.430081 湖北省 武汉市 武汉科技大学 汽车与交通工程学院；2.430081 湖北省 武汉市 武汉科技大学 化学与化工学院）

0 引言

随着经济和科学技术的快速发展，噪声污染逐渐成为了危害人类健康的因素之一[1]。振动和传播是噪声产生的本质，所以控制噪音的主要措施是从声源、振源以及传播途径处减弱噪音，相对应的措施为隔振、吸振、隔音和吸音4 种措施[2]。聚氨酯多孔材料内部有大量连通的泡孔，声波能够在材料内部孔隙之间不断地反射，从而耗散声波的能量，因此材料具有良好的吸声性能。且聚氨酯多孔材料具有质轻、制备成本低廉和吸声性能良好的特点，所以聚氨酯多孔发泡材料成为汽车上最常用的吸音材料之一[3]。但传统的聚氨酯多孔吸声材料存在中低频吸声性能不理想的缺点，所以聚氨酯复合发泡材料是多孔吸声材料研究的热点。在有关研究中，姜洋等[4]重点分析了竹叶和麦秆对聚氨酯发泡材料吸隔声性能的影响，研究发现，将竹叶、竹叶秸秆和麦秆加入聚氨酯发泡体系中共同发泡能够显著改善聚氨酯泡沫材料的吸隔声性能。因此选择合适的填料制作聚氨酯复合材料可以有效地改善材料的吸声性能，使用体积过大的填料可能会堵塞聚氨酯孔隙，从而对聚氨酯发泡材料的吸声效果提升并不明显。

粟米壳作为一种天然植物材料，多孔的结构使其具有一定的吸声性能。为解决填料粒径过大堵塞聚氨酯泡沫材料内部孔隙的问题，本文以粒径更为细小的粟米壳微粒作为填料，采用一步法成功制备出具有多孔道连通结构的粟米壳-聚氨酯复合吸声材料，研究了粟米壳微粒含量、粒径大小和材料厚度对吸声性能的影响。

1 样品制备

1.1 原材料及设备

1.1.1 实验材料

聚氨酯发泡原料：采用工业级的聚醚多元醇330N、聚醚多元醇3630、异氰酸酯（MDI）、胺催化剂A1、胺催化剂A33、泡沫稳定剂硅油以及自制的发泡剂去离子水。

粟米壳微粒：将纯净的粟米壳使用打磨粉碎机打成微粒，分别使用75，30，18 目筛子将粟米壳微粒分为0.2 mm 以下、0.2～0.6 mm 和0.6～1.0 mm 三种粒径范围，将粟米壳微粒置于80 ℃的电热恒温鼓风干燥保温箱中干燥2 h。

1.1.2 实验设备

实验所需设备如表1 所示。

表1 实验所需设备及型号Tab.1 Equipment and model required for experiment

1.2 粟米壳-聚氨酯复合吸声材料的制备

本文采用一步发泡法，按照表2 的配方制作粟米壳-聚氨酯复合吸声材料。首先准备好粟米壳微粒，粒径范围如前所述，使用电子天平称取不同粒径范围的粟米壳微粒2 质量份、4 质量份、6 质量份和8 质量份，将表2 中原料加入纸杯，并使用增力式电动搅拌器搅拌均匀，待其自由发泡后放入电热恒温鼓风干燥保温箱，在50 ℃下保温2 h 时期充分熟化，最后将熟化后的粟米壳-聚氨酯复合吸声材料使用电热丝切割机加工成直径为34.5 mm，厚度为30 mm 的圆柱状材料（如图1 所示）进行吸声性能测试分析。

表2 粟米壳-聚氨酯复合吸声材料基础配比Tab.2 Base ratio of corn shell-polyurethane composite sound absorbing material

图1 粟米壳-聚氨酯复合吸声材料Fig.1 Core shell-polyurethane composite sound absorption material

2 吸声性能测试

2.1 测试原理

吸声系数α是评价多孔吸声材料吸声性能的重要指标之一[5]。材料吸收和透过的声能与入射到材料上的总声能之比，称为吸声系数α。当入射声能被完全反射时，α=0 表示材料没有吸声作用。一般来说，所有的材料的吸声系数α在0～1，即声波既不可能被完全吸收，也不可能被完全反射。在一定的频率和相同的条件之下，吸声系数α越大，则材料的吸声性能越好。吸声系数α表达式为

式中：E1——入射声能；E2——被材料反射的声能。

本文采用德国西门子公司的LMS Test.lab 阻抗管测试材料的吸声系数，如图2 所示。依照ISO 10543-2 标准，在温度为起伏不大于±1℃、大气压力起伏不大于±0.5 kPa 的静室中测试吸声系数；在温度为起伏不大于±1℃、大气压力起伏不大于±0.5 kPa 的静室中测试吸声系数。每个样品的测量值取3 次测量后的平均值。

图2 中，声传感器1 和声传感器2 的声压分别为P1和P2，入射声压可以表达为

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

反射声压可以表达为

式中：R——反射系数。则传感器1 与传感器2 的声压可以表示为

式中：x1——声传感器1 到吸声材料的距离；x2——声传感器2 到吸声材料的距离。

式中：s——声传感器1 和声传感器2 之间的距离，s=x1-x2。

则吸声系数可表达为

2.2 测试方法

使用传递函数法对样品材料进行吸声系数的测量[6]。依照ISO10543-2 标准，在温度起伏不大于±1℃、大气压力起伏不大于±0.5 kPa 的静室中测试吸声系数。测试样品在频率范围为100～5 000 Hz 的1/3 倍频程吸声系数，测试样品直径为34.5 mm，厚度分别为50，40，30，20，10 mm。为保证测试的准确性，每个样品的测量值取3 次测量后的平均值。

2.3 平均吸声系数

工程中常用平均吸声系数反映材料总体的吸声性能。平均吸声系数是材料在125，250，500，1 000，2 000，4 000 Hz 这6 个频率吸声系数的算术平均值[7]。

平均吸声系数可用式（8）计算：

式 中：α125，α250，α500，α1000，α2000，α4000——材 料在125，250，500，1 000，2 000，4 000 Hz 频率下的吸声系数。

3 结果分析

3.1 多孔材料的微观结构

为了观察对比聚氨酯多孔吸声材料和粟米壳-聚氨酯复合吸声材料的内部结构，从结构上分析聚氨酯材料的吸声性能变化，使用偏光显微镜观察聚氨酯泡沫材料和粟米壳-聚氨酯复合泡沫材料的微观结构，分别如图3、图4 所示。从图4 中可以看出，聚氨酯泡沫的泡孔之间是相互连通的，粟米壳微粒附着于孔壁以及泡孔与泡孔之间的聚氨酯基体之上。对比图3 和图4 可以看出，原来聚氨酯泡沫材料的空腔孔壁是比较光滑的，加入粟米壳微粒之后孔壁变得粗糙。从吸声的角度讲，声波通过空洞时极有可能发生衍射，孔道中的空气与泡孔孔壁、孔壁上的粟米壳微粒发生摩擦，损耗大量的声能，从而达到提高材料吸声性能的效果[8]。

图3 聚氨酯泡沫微观结构Fig.3 Microstructure of polyurethane foam

图4 粟米壳-聚氨酯复合材料微观结构Fig.4 Microstructure of corn shell-polyurethane composites

3.2 粟米壳含量对材料吸声性能的影响

图5 为不同粟米壳微粒配比的粟米壳-聚氨酯复合材料的吸声系数测试曲线，图6 为根据式（8）计算出的不同材料平均吸声系数（测试材料厚度为30 mm）。

图5 粟米壳粒径在0.2 mm 以下，添加份数分别为0、2 份、4 份、6 份、8 份时的复合材料吸声系数曲线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

图6 粟米壳粒径在0.2 mm 以下，添加份数分别为0、2 份、4 份、6 份、8 份时的复合材料的平均吸声系数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

由图5 可见，添加了粟米壳微粒之后的泡沫材料明显比未添加粟米壳微粒材料的中低频吸声效果要好，材料的吸声系数峰值频段由3 130～3 240 Hz降低到了1 530～1 610 Hz。由图5 可知，在研究范围内，粟米壳微粒的添加量为6 份时，复合泡沫材料的吸声性能最好。从图6 可见，在研究范围内，粟米壳微粒添加量为6 份时，复合泡沫材料的降噪系数最大。其中，当粟米壳微粒粒径在0.2 mm 以下、添加为6 份时的聚氨酯泡沫材料平均吸声系数达到0.57，属于高效吸声材料。聚氨酯发泡材料具有多孔结构的特征，材料主要依靠与空气的摩擦以及泡孔壁的结构振动吸收入射声波。粟米壳微粒的加入使得材料孔壁变得更加粗糙，与空气的摩擦加剧，从而提高了材料的吸声系数。但当粟米壳微粒的添加份数为8 份时，材料的吸声性能反而没有添加量为6 份时的好，这是因为当粟米壳微粒的添加量过大时会发生团聚效应，堵塞材料内部孔隙，材料的孔隙率降低，从而吸声性能降低。

3.3 粟米壳粒径大小对材料吸声性能的影响

图7 为不同粒径范围粟米壳填料的粟米壳-聚氨酯复合材料的吸声系数测试曲线，图8 为根据式（8）计算出的不同材料平均吸声系数的数值（测试材料厚度为30 mm）。

图7 粟米壳含量为2 份，粟米壳粒径在0.2 mm 以下、0.2～0.6 mm、0.6～1.0 mm 时的复合材料的吸声系数曲线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

图8 粟米壳含量为2 份，粟米壳粒径在0.2 mm 以下、0.2～0.6 mm、0.6～1.0 mm 时的复合材料的平均吸声系数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

观察图7 和图8（测试材料厚度为30 mm）可以发现，经过多试验与测试充分说明，当粟米壳微粒的粒径在0.2 mm 以下时，复合材料吸声性能最好；当粟米壳微粒粒径在0.2 mm 以下，含量为6 份时材料的吸声系数峰值为0.994，对应频率为1 530 Hz。由图7 和图8 可见，当粟米壳微粒的粒径增大时，聚氨酯复合材料的吸声性能逐渐下降。这是因为粟米壳粒径过大使得粟米壳微粒在聚氨酯泡沫材料中分布不均匀，还有可能会堵塞泡沫材料内部的孔隙，使得孔隙之间不能连通，从而降低材料的吸声性能。

3.4 厚度对材料吸声性能的影响

如图9 和图10 分别为含粒径在0.2 mm 以下的粟米壳微粒6 份的粟米壳-聚氨酯复合材料的吸声系数曲线和平均吸声系数。

图9 不同厚度材料的吸声系数曲线Fig.9 Absorption coefficient curves of materials with different thickness

图10 不同厚度材料的平均吸声系数Fig.10 Average sound absorption coefficient of materials of different thickness

从图9 可知，材料厚度为10 mm 时，材料的低频吸声系数较小，高频吸声系数较大；在材料厚度为20 mm、30 mm 时，材料表现出较高的中低频吸声系数，且中高频吸声系数趋于稳定的数值。在材料厚度为40 mm、50 mm 时，材料表现很好的低频吸声性能，在高频表现出较为稳定的数值。随着厚度的增加，材料在低频区间的吸声系数有明显提高；在高频表现出较为相近的吸声系数数值，说明高频对厚度不太敏感，而且随着厚度的增加，中低频吸声系数的数值增加逐渐变缓。说明当材料的厚度增加到一定程度时，增加材料厚度对提升材料的吸声效果不大，因此在一定范围内增加材料厚度可以较大地提高材料中低频的吸声性能，但对高频吸声系数的影响很小。从图10 可以看出，材料的平均吸声系数随厚度的增加而变大。因此增加材料的厚度能够提高材料的吸声性能。

4 结论

本文采用向聚氨酯泡沫塑料中添加粟米壳微粒的方式开发了一种吸声性能良好的粟米壳-聚氨酯复合吸声材料。经过测试与分析得到以下结论：

（1）粟米壳-聚氨酯复合吸声材料相比于纯聚氨酯吸声材料的峰值吸声频段由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频吸声性能；

（2）向聚氨酯泡沫塑料中加入粟米壳微粒后可提高材料的吸声性能，在研究范围内，当粟米壳微粒含量为6 份、粒径在0.2 mm 以下时复合材料的吸声性能最好，其吸声系数峰值可达到0.994，对应频率为1 530 Hz。下一步可以研究填料粒径在0.2 mm 以下时，对材料吸声性能的影响规律；

（3）复合吸声材料的厚度不同，表现出不同的声学性能。材料厚度的增加，可以明显提高材料的中低频吸声性能，高频吸声性能所受影响较小；随着厚度的增加，材料的低频吸声性能的提高逐渐变缓。本文由于测试条件的限制，仅研究了厚度范围为10～50 mm 材料的吸声性能，厚度对材料吸声性能的影响还需进一步探究。