聚氨酯泡沫体吸声材料的双层复合效应研究_翟彤

1、2009年第24卷第5期2009.Vol.24No.5聚氨酯工业POLYURETHANEINDUSTRY·11··研究报告·聚氨酯泡沫体吸声材料的双层复合效应研究翟彤周成飞郭建梅曹巍曾心苗(北京市射线应用研究中心100012)摘要:采用二次发泡工艺制备了聚氨酯双层复合泡沫吸声材料,对其吸声性能进行了理论预测与实验验证,并探讨了复合方式对泡沫材料吸声性能的影响。结果表明,用传递矩阵法来计算聚氨酯双层复合泡沫板材的吸声系数与实验测量结果基本吻合;双层复合聚氨酯板材较单层聚氨酯泡沫的吸声性能有所提高。关键词:聚氨酯泡沫;双层复合;吸声材料;吸声性能中图分类号:

2、TQ323.8文献标识码:A文章编号:1005-1902(2009)05-0011-04聚氨酯泡沫具有吸声系数高、密度小、富有弹性、易于加工、施工简便等特点,是一类重要的吸声材料,在军事和民用方面都有广泛的用途。有关聚氨酯吸声材料的多层复合效应,近年来1,2已引起人们的关注。王源升,等在水声用聚氨酯弹性体的多层复合方面进行了理论和实验研究。研究结果表明,从理论上来优化设计聚氨酯多层复合吸声结构,可以克服依靠大量反复试验测量来优化设计中存在的既费时又费力的缺点。在理论优化设计中,采用传递矩阵法计算多层复合结构吸声系数是一种比较行之有效的方法,但其工作主要是针对弹性体等非多孔材料。在实际应用中,经

3、常需要对不同泡孔结构的泡沫进行复合,发挥吸声效果。因此,本研究主要依据传递矩阵法来建立适合聚氨酯泡沫双层复合结构优化设计的计算方法,并从理论计算和实验两方面考察其双层复合结构对吸声性能的影响。1实验部分1.1原材料聚醚多元醇,TEP-3033,天津市石化三厂;聚醚多元醇,H4110,南京红宝丽股份有限公司;聚合物多元醇,YB-3081,江阴友邦聚氨酯有限公司;聚碳酸酯二醇,ST-602EL,北京盛唐优威化工有限公司;端羟基聚硅氧烷(107胶),107-5000,上海树脂厂;苯酐聚酯多元醇,PS-1752,南京金陵斯泰潘化学有限公司;1,4-丁二醇(BD),国药集团化学试剂有限公司;异氰酸酯(P

4、API,PM-200)、4,4-双仲丁氨基二苯基甲烷(WanaLink6200),烟台万华聚氨酯股份有限公司;均苯四酸二酐(PMDA),廊坊市贝德商贸有限公司;SiOYS-610F,山西纳米材料科2气凝胶,T技有限公司;硅油,AK8805,德美世创化工有限公司;三乙烯二胺,TEDA-A33,江苏雅克化工有限公司;三丁胺,北京化学试剂有限公司;氢氧化铝,KH-3,绵阳西力达超细材料公司;甲基磷酸二甲酯(DMMP)、三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP),宝应县晨光化工厂;一氟二氯乙烷(HCFC-141b),浙江三环化工有限公司;以上原料均为工业级。1.2聚氨酯双层复合泡沫材料的制备聚氨酯双层复合泡沫

5、材料的配方见表1。双层复合泡沫材料采用二次发泡法制备。第1步(一次发泡):先将一种泡沫按配方称量各组分,搅拌混合均匀,浇灌入25mm厚板式模具,合模、发泡、成型后,开模,制备出单层泡沫材料;第2步(二次发泡):组装模具,将一次发泡成型的泡沫材料装入到50mm厚模具中。再将另一种泡沫按配方称量各组分,搅拌混合均匀,浇灌入50mm厚板式模具,合模、发泡、成型后,开模,得聚氨酯双层复合泡沫板材。·12·表1实验泡沫材料配方组分/质量份TEP-3033YB-3081H4110ST-602EL107胶PS-1752BDWanalink6200PMDA纳米SiO2AK8805TEDA-

6、A33三丁胺氢氧化铝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聚氨酯工业第24卷1.3性能测试采用美国麦克仪器公司的ACCUPYC1340型真密度仪测定泡沫样品的开孔率;采用北京声望技术有限公司的BSWA双通道声学分析仪、按GBJ8885驻波管法测定泡沫样品的吸声性能;采用上海倾计公司的泡沫压缩试验机测定泡沫样品的弹性模

7、量。1.4聚氨酯泡沫主要性能表2为4种不同密度和开孔率的聚氨酯泡沫性能;表3为不同方式组合的聚氨酯双层复合泡沫板材。表24种聚氨酯泡沫的基本特性编号密度/g·cm-3开孔率/%平均吸声系数弹性模量/MPa主要特点PU-10.0434.810.10750硬质闭孔泡沫,泡孔细小PU-20.05494.610.5655软质开孔泡沫,泡孔较小PU-30.09192.040.33806硬质开孔泡沫,泡孔粗大PU-40.02294.000.42560半硬质开孔泡沫,泡孔细小表3双层聚氨酯泡沫的复合方式及特点复合方式硬质闭孔型泡沫与软质开孔型泡沫的复合半硬质开孔型泡沫与软质开孔型泡沫复合硬质开孔型

8、泡沫与软质开孔型泡沫的复合组合情况FH-1(PU-1与PU-2)数的传递矩阵法3来建立。在聚氨酯双层复合板3材中,第1层泡沫材料与第2层泡沫材料之间的声压与法向质点振速关系可用下式表示11a11a12aa12112211:22FH-2(PU-4与PU-2)=22coskink1D1j1C1s1D1FH-3(PU-3与PU-2)jsink1D1cosk1D11C1aa11=12由于采用二次发泡工艺制备双层复合板材,与传统粘接工艺制备的双层复合板材相比,具有如下优点:(1)层与层之间的结合更加牢固;(2)由于层与层界面间没有粘接剂层,故对板材的吸声性能影响很小。2结果与讨论2.1传递矩阵法的理论基

9、础在传递矩阵法的具体应用中,与聚氨酯弹性体优化设计计算方法1,2,P1、V1为第1层吸声材aa-aa=111121221料与空气接触表面声压与法向质点振速;P2、V2为第1层吸声材料与第2层吸声材料接触表面声压与法向质点振速;DC1为第1层吸声材料厚度;1为1层吸声材料的声传播速度:C1=1=111E1+;1为第1层吸声材料的弹性模量;1为2第1层吸声材料的密度;1为第1层吸声材料的结U-4不同,聚氨酯泡沫的双层复第5期翟彤,等·聚氨酯泡沫体吸声材料的双层复合效应研究3·13·3,样品PU-3的结构因子取值为6;k1为第1层吸11声材料传播的波数;k=为11-。C

10、E211角频率,其值为入射波频率的2倍。同理,第i层吸声材料与第i+1层吸声材料之间的声压与法向振速关系可以表示如下:a11a12a2121iiiPi+1Vi+1图1复合方式1的吸声频率特性双层复合聚氨酯板材在测量吸声系数时可以看作是双层复合聚氨酯板材安置在刚性材质上,因此第1层吸声材料与第3层(刚性材质层)的声压与法向振速关系为:1133被第二层软质开孔泡沫所吸收,而高频声声压级较弱,透过闭孔泡沫的声能较少,所以复合后中高频吸声性能变化不明显。从曲线可以看出理论计算的结果在中低频段与实测结果基本吻合,而在高频段较33a11a12a21a22331111a11a12a21a22b11b12b2

11、122332222a11a12a21a22实测结果偏高,原因为理论公式适用于计算多层均质泡沫复合后的吸声系数,而复合的泡沫开孔率相差较大,中低频声基本被开孔泡沫吸收,而闭孔泡沫起的作用很小,所以计算结果会现偏差。FH-2为半硬质开孔型聚氨酯泡沫与软质开孔型聚氨酯泡沫复合,其吸声频率特性见图2。其中,P刚性材质层)的背面3和V3为第3层(与空气接触表面的声压与法向振速。由于第3层为刚性材质,且背面为空气,此时近似为P0,可得:3=Pb112=ZsVb122其中,Zs表示双层吸声材料的表面声阻抗率;因此,吸声系数的计算公式Zs-00a=1Zs-0024为:用吸声系数计算公式对表3中所列3种双层复合

12、泡沫样品的吸声系数进行计算,可得到双层均质吸声材料的1/3倍频程下各频率的吸声系数。2.2理论计算与实验结果的比较为了便于比较起见,对几种配方分别制备的聚氨酯泡沫及采用二次发泡工艺制备的多层复合材料30mm厚的样品在1005000Hz、1/3倍频程范围内的吸声系数进行了测量。FH-1是由硬质闭孔型泡沫PU-1分别与软质开孔型泡沫PU-2复合而成,其吸声频率特性见图1。从图1可以看出,复合后的泡沫板材在中低频段(1002000Hz)的范围内的平均吸声系数有了明显的提高,并在1000Hz时出现了一个吸收峰,而在20005000Hz范围内无明显变化。复合结构声波的入射面为闭孔泡沫表面,由于中低频声声

13、压级较强,在中低频段声波透过闭孔泡沫的声能较多,从而图2复合方式2的吸声频率特性由图2可以看出,由半硬质开孔型泡沫PU-4与软质开孔聚氨酯泡沫PU-2复合后,吸声性能提升比较明显,在10002500Hz频率范围内,平均吸声系数大大提高。其理论计算结果与实测结果在全频段基本吻合。PU-4泡沫材料符合一般柔性多孔吸声材料的特点,但因其泡孔细小,所以单一样品的中高频吸声性能一般,与软质开孔泡沫复合后,由于声波在多层复合结构中传播时,当声波通过第一层材料到达第二层材料,由于两层材料的密度和开孔率的不同,形成一个分层界面,部分声能会产生折射,回到第一层材料,加大了声能的损耗,能够提高其在中·1

14、4·高频的吸声性能。聚氨酯工业表4双层复合泡沫板材的平均吸声系数平均吸声系数样品理论值FH-1FH-2FH-30.300.560.44实测值0.260.570.43第24卷FH-3为硬质开孔型泡沫的PU-3与软质开孔型聚氨酯泡沫PU-2复合,其吸声频率特性见图3。合泡沫板材的吸声系数,其理论计算结果与实验测量结果基本吻合,表明这种理论计算方法完全可以用于聚氨酯双层复合结构的设计优化,这为今后的图3复合方式3的吸声频率特性实验研究及工程设计提供了新的方法。经研究发现,将硬质闭孔泡沫与软质开孔泡沫复合可提高材料中低频的吸声性能,将硬质开孔泡沫与软质开孔泡沫复合可提高材料的中高频的吸声性能

15、,在实际应用中,双层复合的聚氨酯板材可以根据需要采用不同的复合方式来提高不同频段的吸声性能,具有广阔的前景。参考文献1杨雪,王源升,余红伟.梯度聚氨酯吸声性能的优化J.武汉理工大学学报,2006,28(10):35372杨雪,王源升,朱金华,等.非平面界面的多层高分子复合材料吸声性能J.复合材料学报,2006,23(4):19233朱从云.主动吸声降噪理论与方法研究D.上海:华中科技大学.20054马大猷.噪声与振动控制工程手册M.北京:机械工业出版社,2002.396408收稿日期2009-05-19修回日期2009-08-29由图3可以看出,复合后吸声性能变化不大,仅在800Hz频率时出现

16、一个吸收峰,对其低频及中高频的吸声性能并无太大影响。其理论计算结果与实测结果在全频段基本吻合。PU-3虽开孔率高,但材质较硬,泡孔粗大,声波在材料中不能有效的通过粘滞效应与热传导效应将声能转化为热能,在中低频时,透射声能被软质开孔泡沫所吸收,所以会出现吸收峰。另外,平均吸声系数也是评价吸声材料吸声性能的重要指标之一4,因此,根据声学测量的常规计算方法计算对3种复合样品在1005000Hz频率范围内的平均吸声系数,结果见表4。结果表明,理论计算结果与实验测量结果基本吻合。3结论本研究用传递矩阵的方法来计算聚氨酯双层复StudyonTwo-LayerCompoundEffectofPolyunet

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