聚氨酯泡沫體吸聲材料的雙層復(fù)合效應(yīng)研究_翟彤

1、2009年第24卷第5期2009.Vol.24No.5聚氨酯工業(yè)POLYURETHANEINDUSTRY·11··研究報(bào)告·聚氨酯泡沫體吸聲材料的雙層復(fù)合效應(yīng)研究翟彤周成飛郭建梅曹巍曾心苗(北京市射線應(yīng)用研究中心100012)摘要:采用二次發(fā)泡工藝制備了聚氨酯雙層復(fù)合泡沫吸聲材料,對(duì)其吸聲性能進(jìn)行了理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并探討了復(fù)合方式對(duì)泡沫材料吸聲性能的影響。結(jié)果表明,用傳遞矩陣法來計(jì)算聚氨酯雙層復(fù)合泡沫板材的吸聲系數(shù)與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果基本吻合;雙層復(fù)合聚氨酯板材較單層聚氨酯泡沫的吸聲性能有所提高。關(guān)鍵詞:聚氨酯泡沫;雙層復(fù)合;吸聲材料;吸聲性能中圖分類號(hào):

2、TQ323.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-1902(2009)05-0011-04聚氨酯泡沫具有吸聲系數(shù)高、密度小、富有彈性、易于加工、施工簡便等特點(diǎn),是一類重要的吸聲材料,在軍事和民用方面都有廣泛的用途。有關(guān)聚氨酯吸聲材料的多層復(fù)合效應(yīng),近年來1,2已引起人們的關(guān)注。王源升,等在水聲用聚氨酯彈性體的多層復(fù)合方面進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,從理論上來優(yōu)化設(shè)計(jì)聚氨酯多層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu),可以克服依靠大量反復(fù)試驗(yàn)測量來優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在的既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力的缺點(diǎn)。在理論優(yōu)化設(shè)計(jì)中,采用傳遞矩陣法計(jì)算多層復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)是一種比較行之有效的方法,但其工作主要是針對(duì)彈性體等非多孔材料。在實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)

3、常需要對(duì)不同泡孔結(jié)構(gòu)的泡沫進(jìn)行復(fù)合,發(fā)揮吸聲效果。因此,本研究主要依據(jù)傳遞矩陣法來建立適合聚氨酯泡沫雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,并從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩方面考察其雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)吸聲性能的影響。1實(shí)驗(yàn)部分1.1原材料聚醚多元醇,TEP-3033,天津市石化三廠;聚醚多元醇,H4110,南京紅寶麗股份有限公司;聚合物多元醇,YB-3081,江陰友邦聚氨酯有限公司;聚碳酸酯二醇,ST-602EL,北京盛唐優(yōu)威化工有限公司;端羥基聚硅氧烷(107膠),107-5000,上海樹脂廠;苯酐聚酯多元醇,PS-1752,南京金陵斯泰潘化學(xué)有限公司;1,4-丁二醇(BD),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;異氰酸酯(P

4、API,PM-200)、4,4-雙仲丁氨基二苯基甲烷(WanaLink6200),煙臺(tái)萬華聚氨酯股份有限公司;均苯四酸二酐(PMDA),廊坊市貝德商貿(mào)有限公司;SiOYS-610F,山西納米材料科2氣凝膠,T技有限公司;硅油,AK8805,德美世創(chuàng)化工有限公司;三乙烯二胺,TEDA-A33,江蘇雅克化工有限公司;三丁胺,北京化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鋁,KH-3,綿陽西力達(dá)超細(xì)材料公司;甲基磷酸二甲酯(DMMP)、三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP),寶應(yīng)縣晨光化工廠;一氟二氯乙烷(HCFC-141b),浙江三環(huán)化工有限公司;以上原料均為工業(yè)級(jí)。1.2聚氨酯雙層復(fù)合泡沫材料的制備聚氨酯雙層復(fù)合泡沫

5、材料的配方見表1。雙層復(fù)合泡沫材料采用二次發(fā)泡法制備。第1步(一次發(fā)泡):先將一種泡沫按配方稱量各組分,攪拌混合均勻,澆灌入25mm厚板式模具,合模、發(fā)泡、成型后,開模,制備出單層泡沫材料;第2步(二次發(fā)泡):組裝模具,將一次發(fā)泡成型的泡沫材料裝入到50mm厚模具中。再將另一種泡沫按配方稱量各組分,攪拌混合均勻,澆灌入50mm厚板式模具,合模、發(fā)泡、成型后,開模,得聚氨酯雙層復(fù)合泡沫板材。·12·表1實(shí)驗(yàn)泡沫材料配方組分/質(zhì)量份TEP-3033YB-3081H4110ST-602EL107膠PS-1752BDWanalink6200PMDA納米SiO2AK8805TEDA-

6、A33三丁胺氫氧化鋁DMMPTCEPH2OHCFC-141bPAPIPU-1-55-15-3.00.7-1515150.528146PU-22540-25100.11.02.0-20202.91563PU-3-5025-205-1.80.7-25252.5-110PU-4-35-15-5.045-2.01.02.0-20202.51572聚氨酯工業(yè)第24卷1.3性能測試采用美國麥克儀器公司的ACCUPYC1340型真密度儀測定泡沫樣品的開孔率;采用北京聲望技術(shù)有限公司的BSWA雙通道聲學(xué)分析儀、按GBJ8885駐波管法測定泡沫樣品的吸聲性能;采用上海傾計(jì)公司的泡沫壓縮試驗(yàn)機(jī)測定泡沫樣品的彈性模

7、量。1.4聚氨酯泡沫主要性能表2為4種不同密度和開孔率的聚氨酯泡沫性能;表3為不同方式組合的聚氨酯雙層復(fù)合泡沫板材。表24種聚氨酯泡沫的基本特性編號(hào)密度/g·cm-3開孔率/%平均吸聲系數(shù)彈性模量/MPa主要特點(diǎn)PU-10.0434.810.10750硬質(zhì)閉孔泡沫,泡孔細(xì)小PU-20.05494.610.5655軟質(zhì)開孔泡沫,泡孔較小PU-30.09192.040.33806硬質(zhì)開孔泡沫,泡孔粗大PU-40.02294.000.42560半硬質(zhì)開孔泡沫,泡孔細(xì)小表3雙層聚氨酯泡沫的復(fù)合方式及特點(diǎn)復(fù)合方式硬質(zhì)閉孔型泡沫與軟質(zhì)開孔型泡沫的復(fù)合半硬質(zhì)開孔型泡沫與軟質(zhì)開孔型泡沫復(fù)合硬質(zhì)開孔型

8、泡沫與軟質(zhì)開孔型泡沫的復(fù)合組合情況FH-1(PU-1與PU-2)數(shù)的傳遞矩陣法3來建立。在聚氨酯雙層復(fù)合板3材中,第1層泡沫材料與第2層泡沫材料之間的聲壓與法向質(zhì)點(diǎn)振速關(guān)系可用下式表示11a11a12aa12112211:22FH-2(PU-4與PU-2)=22coskink1D1j1C1s1D1FH-3(PU-3與PU-2)jsink1D1cosk1D11C1aa11=12由于采用二次發(fā)泡工藝制備雙層復(fù)合板材,與傳統(tǒng)粘接工藝制備的雙層復(fù)合板材相比,具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)層與層之間的結(jié)合更加牢固;(2)由于層與層界面間沒有粘接劑層,故對(duì)板材的吸聲性能影響很小。2結(jié)果與討論2.1傳遞矩陣法的理論基

9、礎(chǔ)在傳遞矩陣法的具體應(yīng)用中,與聚氨酯彈性體優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法1,2,P1、V1為第1層吸聲材aa-aa=111121221料與空氣接觸表面聲壓與法向質(zhì)點(diǎn)振速;P2、V2為第1層吸聲材料與第2層吸聲材料接觸表面聲壓與法向質(zhì)點(diǎn)振速;DC1為第1層吸聲材料厚度;1為1層吸聲材料的聲傳播速度:C1=1=111E1+;1為第1層吸聲材料的彈性模量;1為2第1層吸聲材料的密度;1為第1層吸聲材料的結(jié)U-4不同,聚氨酯泡沫的雙層復(fù)第5期翟彤,等·聚氨酯泡沫體吸聲材料的雙層復(fù)合效應(yīng)研究3·13·3,樣品PU-3的結(jié)構(gòu)因子取值為6;k1為第1層吸11聲材料傳播的波數(shù);k=為11-。C

10、E211角頻率,其值為入射波頻率的2倍。同理,第i層吸聲材料與第i+1層吸聲材料之間的聲壓與法向振速關(guān)系可以表示如下:a11a12a2121iiiPi+1Vi+1圖1復(fù)合方式1的吸聲頻率特性雙層復(fù)合聚氨酯板材在測量吸聲系數(shù)時(shí)可以看作是雙層復(fù)合聚氨酯板材安置在剛性材質(zhì)上,因此第1層吸聲材料與第3層(剛性材質(zhì)層)的聲壓與法向振速關(guān)系為:1133被第二層軟質(zhì)開孔泡沫所吸收,而高頻聲聲壓級(jí)較弱,透過閉孔泡沫的聲能較少,所以復(fù)合后中高頻吸聲性能變化不明顯。從曲線可以看出理論計(jì)算的結(jié)果在中低頻段與實(shí)測結(jié)果基本吻合,而在高頻段較33a11a12a21a22331111a11a12a21a22b11b12b2

11、122332222a11a12a21a22實(shí)測結(jié)果偏高,原因?yàn)槔碚摴竭m用于計(jì)算多層均質(zhì)泡沫復(fù)合后的吸聲系數(shù),而復(fù)合的泡沫開孔率相差較大,中低頻聲基本被開孔泡沫吸收,而閉孔泡沫起的作用很小,所以計(jì)算結(jié)果會(huì)現(xiàn)偏差。FH-2為半硬質(zhì)開孔型聚氨酯泡沫與軟質(zhì)開孔型聚氨酯泡沫復(fù)合,其吸聲頻率特性見圖2。其中,P剛性材質(zhì)層)的背面3和V3為第3層(與空氣接觸表面的聲壓與法向振速。由于第3層為剛性材質(zhì),且背面為空氣,此時(shí)近似為P0,可得:3=Pb112=ZsVb122其中,Zs表示雙層吸聲材料的表面聲阻抗率;因此,吸聲系數(shù)的計(jì)算公式Zs-00a=1Zs-0024為:用吸聲系數(shù)計(jì)算公式對(duì)表3中所列3種雙層復(fù)合

12、泡沫樣品的吸聲系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可得到雙層均質(zhì)吸聲材料的1/3倍頻程下各頻率的吸聲系數(shù)。2.2理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較為了便于比較起見,對(duì)幾種配方分別制備的聚氨酯泡沫及采用二次發(fā)泡工藝制備的多層復(fù)合材料30mm厚的樣品在1005000Hz、1/3倍頻程范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)進(jìn)行了測量。FH-1是由硬質(zhì)閉孔型泡沫PU-1分別與軟質(zhì)開孔型泡沫PU-2復(fù)合而成,其吸聲頻率特性見圖1。從圖1可以看出,復(fù)合后的泡沫板材在中低頻段(1002000Hz)的范圍內(nèi)的平均吸聲系數(shù)有了明顯的提高,并在1000Hz時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)吸收峰,而在20005000Hz范圍內(nèi)無明顯變化。復(fù)合結(jié)構(gòu)聲波的入射面為閉孔泡沫表面,由于中低頻聲聲

13、壓級(jí)較強(qiáng),在中低頻段聲波透過閉孔泡沫的聲能較多,從而圖2復(fù)合方式2的吸聲頻率特性由圖2可以看出,由半硬質(zhì)開孔型泡沫PU-4與軟質(zhì)開孔聚氨酯泡沫PU-2復(fù)合后,吸聲性能提升比較明顯,在10002500Hz頻率范圍內(nèi),平均吸聲系數(shù)大大提高。其理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在全頻段基本吻合。PU-4泡沫材料符合一般柔性多孔吸聲材料的特點(diǎn),但因其泡孔細(xì)小,所以單一樣品的中高頻吸聲性能一般,與軟質(zhì)開孔泡沫復(fù)合后,由于聲波在多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中傳播時(shí),當(dāng)聲波通過第一層材料到達(dá)第二層材料,由于兩層材料的密度和開孔率的不同,形成一個(gè)分層界面,部分聲能會(huì)產(chǎn)生折射,回到第一層材料,加大了聲能的損耗,能夠提高其在中·1

14、4·高頻的吸聲性能。聚氨酯工業(yè)表4雙層復(fù)合泡沫板材的平均吸聲系數(shù)平均吸聲系數(shù)樣品理論值FH-1FH-2FH-30.300.560.44實(shí)測值0.260.570.43第24卷FH-3為硬質(zhì)開孔型泡沫的PU-3與軟質(zhì)開孔型聚氨酯泡沫PU-2復(fù)合,其吸聲頻率特性見圖3。合泡沫板材的吸聲系數(shù),其理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果基本吻合,表明這種理論計(jì)算方法完全可以用于聚氨酯雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,這為今后的圖3復(fù)合方式3的吸聲頻率特性實(shí)驗(yàn)研究及工程設(shè)計(jì)提供了新的方法。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),將硬質(zhì)閉孔泡沫與軟質(zhì)開孔泡沫復(fù)合可提高材料中低頻的吸聲性能,將硬質(zhì)開孔泡沫與軟質(zhì)開孔泡沫復(fù)合可提高材料的中高頻的吸聲性能

15、,在實(shí)際應(yīng)用中,雙層復(fù)合的聚氨酯板材可以根據(jù)需要采用不同的復(fù)合方式來提高不同頻段的吸聲性能,具有廣闊的前景。參考文獻(xiàn)1楊雪,王源升,余紅偉.梯度聚氨酯吸聲性能的優(yōu)化J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(10):35372楊雪,王源升,朱金華,等.非平面界面的多層高分子復(fù)合材料吸聲性能J.復(fù)合材料學(xué)報(bào),2006,23(4):19233朱從云.主動(dòng)吸聲降噪理論與方法研究D.上海:華中科技大學(xué).20054馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.396408收稿日期2009-05-19修回日期2009-08-29由圖3可以看出,復(fù)合后吸聲性能變化不大,僅在800Hz頻率時(shí)出現(xiàn)

16、一個(gè)吸收峰,對(duì)其低頻及中高頻的吸聲性能并無太大影響。其理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在全頻段基本吻合。PU-3雖開孔率高,但材質(zhì)較硬,泡孔粗大,聲波在材料中不能有效的通過粘滯效應(yīng)與熱傳導(dǎo)效應(yīng)將聲能轉(zhuǎn)化為熱能,在中低頻時(shí),透射聲能被軟質(zhì)開孔泡沫所吸收,所以會(huì)出現(xiàn)吸收峰。另外,平均吸聲系數(shù)也是評(píng)價(jià)吸聲材料吸聲性能的重要指標(biāo)之一4,因此,根據(jù)聲學(xué)測量的常規(guī)計(jì)算方法計(jì)算對(duì)3種復(fù)合樣品在1005000Hz頻率范圍內(nèi)的平均吸聲系數(shù),結(jié)果見表4。結(jié)果表明,理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果基本吻合。3結(jié)論本研究用傳遞矩陣的方法來計(jì)算聚氨酯雙層復(fù)StudyonTwo-LayerCompoundEffectofPolyunet

17、haneFoamSound-AbsorbingMaterialsZhaiTongZhouChengfeiGuoJianmeiCaoWeiZengXinmiao(BeijingRadiationApplicationResearchCenter,100012,China)Abstract:Thetwo-layerpolyurethanefoamsound-absorbingmaterialswereproducedbytwiceproceducefoa-mingtechnique.Thesound-absorbingfunctionwasestimatedandtested.Theeffectofcompoundwayontheper-formanceofsound-absorbingwasdiscussed.theresultshowedthatthesound-absorbingindexoftwo-layer