聚氨酯泡沫吸聲材料的制備及性能研究*

王啟強

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000)

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聚氨酯泡沫吸聲材料的制備及性能研究*

王啟強

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000)

利用一步法制備聚氨酯泡沫吸聲材料，探究了配方和發(fā)泡工藝對泡沫材料性能的影響，對材料的吸聲系數(shù)、力學(xué)強度和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試與表征。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)泡劑為8 g、勻泡劑為1.5 g、反應(yīng)溫度為30 ℃時，聚氨酯泡沫的吸聲系數(shù)為0.42；經(jīng)130 ℃處理10 h后，聚氨酯吸聲材料具有較好的綜合性能，其吸聲系數(shù)和力學(xué)強度分別為0.47和0.68 MPa。SEM觀測顯示，吸聲材料形成了分布均勻有利于吸聲的開孔-閉孔共存體系。

聚氨酯；發(fā)泡劑；勻泡劑；吸聲系數(shù)

噪聲污染已經(jīng)成為世界性難題。噪聲污染來源廣，對人的身體和精神都有極大的不良影響，國際上將噪聲污染列為世界三大環(huán)境污染之一，噪聲污染成為環(huán)境治理過程中備受關(guān)注的熱點問題[1-2]。吸聲技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品、交通運輸、國防和民用建筑等各個領(lǐng)域，從聲學(xué)角度分析，主要應(yīng)用于環(huán)保吸聲降噪和建筑聲學(xué)的音質(zhì)控制。在噪聲污染治理中，吸聲材料的使用是噪聲污染治理不可缺少的一種措施。吸聲材料是指能夠吸收聲波，降低或吸收聲音的材料[3-4]。近年來，吸聲材料的研究已經(jīng)涉及到金屬材料、高分子材料、無機材料和有機無機復(fù)合材料，它們各具特色和實用價值，有些泡沫材料已經(jīng)投入了實際應(yīng)用[5]。本文以異氰酸酯、聚醚多元醇、發(fā)泡劑和勻泡劑等為原料制備聚氨酯泡沫材料，研究聚氨酯泡沫的吸聲效果。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及設(shè)備

試驗原料包括高羥值聚醚多元醇(工業(yè)品4110，河北亞東化工集團(tuán)有限公司)、低羥值聚醚多元醇(工業(yè)品330N，河北亞東化工集團(tuán)有限公司)、二月桂酸二丁錫、三乙醇胺(AR，長沙市有機試劑廠)、勻泡劑(AK8805，南京德美世創(chuàng)有限公司)和發(fā)泡劑(AK9005，南京德美世創(chuàng)有限公司)。

試驗設(shè)備包括駐波管吸聲系數(shù)測試儀(AWA6122，杭州愛華有限公司)、電子萬能實驗機(SANS-CMT5105，深圳新三思公司)和高真空鎢絲掃描電子顯微鏡(XACT，日本日立公司)。

1.2 試驗方案

采用一步法合成聚氨酯泡沫，主要研究發(fā)泡劑、勻泡劑、反應(yīng)溫度和后處理方式對聚氨酯泡沫吸聲性能的影響。聚氨酯泡沫制備流程如圖1所示。

圖1 聚氨酯泡沫制備流程圖

1.3 性能測試

1.3.1 吸聲性能測試

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB J88—1985《駐波管吸聲系數(shù)和聲阻率測量規(guī)程》，測試研究在100～2 000 Hz頻率下的吸聲系數(shù)。聲波入射到材料表面時，其中一部分聲能被反射(Eγ)，一部分聲能被材料吸收(Ei)，還有一部分被透射(Eβ)[6-7]。材料的吸聲系數(shù)[8-10]是指被吸收的聲能(或沒有被表面反射的部分)與入射聲能之比，用α表示：

式中，Ei為材料本身吸收的聲能；Eβ為透射聲能；Eγ為反射聲能；E0為單位時間內(nèi)入射的總聲能。

1.3.2 微觀分析

利用掃描電鏡(SEM)觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)，分析試樣泡孔結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫吸聲性能的影響

發(fā)泡劑是合成聚氨酯泡沫的重要成分之一，對材料的吸聲效果有很大的影響。發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫吸聲性能的影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 發(fā)泡劑用量對聚氨酯泡沫吸聲系數(shù)的影響

由圖2可知，聚氨酯泡沫隨發(fā)泡劑用量的增多，樣品平均吸聲系數(shù)先增大后減小。發(fā)泡劑決定了泡沫材料的發(fā)泡效果，同質(zhì)量的反應(yīng)物，隨發(fā)泡劑用量的增大，發(fā)泡倍數(shù)越大，密度越小，泡孔均勻，吸聲系數(shù)增大；但隨著發(fā)泡劑用量的繼續(xù)增大，反應(yīng)物在發(fā)泡的過程中，凝膠時間減小，氣體不易排出，泡孔之間容易形成兼并，發(fā)泡效果不佳，密度反而增大，吸聲效果下降[11]。

2.2 勻泡劑對聚氨酯泡沫吸聲性能的影響

勻泡劑即泡沫穩(wěn)定劑。試驗采用有機硅系表面活性劑為勻泡劑，加入有機硅的量與泡沫體表觀性能的關(guān)系見表1。

表1 勻泡劑對聚氨酯泡沫表觀性能的影響

由表1可知，不加勻泡劑或多加勻泡劑都不能形成完好的泡沫體，這主要是因為穩(wěn)定劑在泡沫體的形成過程中能包覆氣體形成泡沫。隨泡沫穩(wěn)定劑用量的增加，制得的制品表皮厚度增加；然而泡沫穩(wěn)定劑用量過多，又會使泡沫體收縮。因此，當(dāng)勻泡劑的質(zhì)量為1.5 g時，泡沫的表觀性能最好。

2.3 反應(yīng)溫度對聚氨酯泡沫吸聲性能的影響

反應(yīng)溫度對硬聚氨酯泡沫吸聲性能的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)溫度對聚氨酯泡沫吸聲系數(shù)的影響

從圖3中得出，當(dāng)反應(yīng)溫度從0 ℃升高到30 ℃時，聚氨酯泡沫的吸聲系數(shù)增大；反應(yīng)溫度為30 ℃時，聚氨酯吸聲泡沫的吸聲系數(shù)達(dá)到0.42；繼續(xù)升高溫度，聚氨酯吸聲泡沫的吸聲系數(shù)減小，這是因為高溫會導(dǎo)致氟利昂以及蒸餾水的揮發(fā)而影響聚氨酯的開孔效果。

2.4 后處理溫度對聚氨酯吸聲泡沫的影響

同一制品經(jīng)過不同后處理工藝所得制品性能存在差異。試驗后處理工藝和制品性能的關(guān)系見表2。

表2 后處理對聚氨酯泡沫性能的影響

由表2可知，待發(fā)泡反應(yīng)結(jié)束后，對制品處以130 ℃下處理10 h，制品的性能達(dá)到最優(yōu)。這主要是因為氨基甲酸酯基團(tuán)中氮原子上的活潑氫與異氰酸酯反應(yīng)，形成脲基甲酸酯交聯(lián)鍵[12]，如下式。

脲基中氮原子上的氫也可與異氰酸酯反應(yīng)形成縮二脲交聯(lián)，如下式。

上述兩項反應(yīng)均屬于交聯(lián)型反應(yīng)，一般來說，反應(yīng)速度較慢，在沒有催化劑存在的條件下，需在較高溫度(110～130 ℃)下反應(yīng)；所以經(jīng)過后處理的制品內(nèi)部應(yīng)該達(dá)到最大程度的交聯(lián)，力學(xué)性能和其他各項性能均達(dá)到最優(yōu)。

2.5 發(fā)泡方式對聚氨酯泡沫的影響

聚氨酯泡沫在常溫下即可發(fā)泡，并經(jīng)過后處理進(jìn)一步熟化。試驗測試了在同一配方下，不同發(fā)泡方式對聚氨酯泡沫耐高溫尺寸形變性能的影響。試驗溫度為150 ℃，烘烤時間為2 h，具體結(jié)果見表3。

表3 發(fā)泡方式對聚氨酯泡沫性能的影響

由表3可知，在常溫反應(yīng)時模具壓力對制品性能產(chǎn)生較大影響。提高模具壓力會增強制品的壓縮性能，也會大大增加其高溫尺寸變形率。通過自由發(fā)泡得到的制品，表面光滑，但力學(xué)性能較有模壓的制品略低，在高溫下(150 ℃)尺寸變化率基本<1%。提高模壓會限制發(fā)泡反應(yīng)的進(jìn)行，而使泡孔堆疊的更加緊密，這種被外力強迫壓縮的不平衡狀態(tài)在溫度升高后會逐漸復(fù)原，相當(dāng)于解取向，所以會發(fā)生較大的尺寸形變。

2.6 聚氨酯泡沫的微觀結(jié)構(gòu)

用掃描電鏡觀察聚氨酯泡沫樣品的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 聚氨酯泡沫樣品SEM圖

由圖4可以看到，材料內(nèi)部具有無數(shù)細(xì)微孔隙，孔隙間彼此貫通且通過表面與外界相通。孔與基材形成了開孔-閉孔共存體系，這種結(jié)構(gòu)有利于聚氨酯吸聲泡沫對聲音的吸收。當(dāng)聲波入射到材料表面時，一部分在材料表面反射掉，另一部分則透入到材料內(nèi)部向前傳播，在傳播過程中引起孔隙的空氣運動與形成孔壁的固體筋絡(luò)發(fā)生摩擦。由于粘滯性和熱傳導(dǎo)效應(yīng)將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌袈暡ǎ趧傂员诿娣瓷浜蠼?jīng)過材料回到其表面時，一部分聲波透射到空氣中，另一部分又反射回材料內(nèi)部。聲波通過這種反復(fù)傳播使能量不斷轉(zhuǎn)換耗散，直到平衡。由此使材料吸收了部分聲能[13]。

3 結(jié)語

本文采用一步法制備了聚氨酯泡沫吸聲材料，研究了配方設(shè)計和工藝參數(shù)對聚氨酯泡沫性能的影響，結(jié)果如下。

1)當(dāng)試驗配方中，組合聚醚為30 g，發(fā)泡劑為8 g，勻泡劑為1.5 g，反應(yīng)溫度為30 ℃時，制備的聚氨酯泡沫泡孔均勻，吸聲系數(shù)為0.42。

2)自由發(fā)泡制備的聚氨酯泡沫表面光滑，力學(xué)性能較模壓的制品略低，在高溫(150 ℃)下尺寸變化率基本<1%，穩(wěn)定性較好。聚氨酯泡沫樣品經(jīng)130 ℃處理10 h后，樣品壓縮強度提升為0.68 MPa，吸聲系數(shù)增大為0.47。

3)利用掃描電鏡對聚氨酯吸聲泡沫進(jìn)行微觀表征，得到了分布均勻的開孔-閉孔共存體系，主要以微孔為主，并有少量的中孔，這種結(jié)構(gòu)有利于泡沫對聲音的吸收。

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* 四川省教育廳資助項目(15ZB0410) 綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)科研項目(ZRYJ1504)

責(zé)任編輯 鄭練

Research on Preperation of the Sound Absorption Material with the Polyurethane Foam

WANG Qiqiang

(Mianyang Polytechnic, Mianyang 621000, China)

Identify the one-step molding preparation process parameters of rigid PU foam and its effect on foam property. Use standing wave tube absorption coefficient tester, and open closed pore rate locator, universal testing machine, electron scanner and other machines to test PU's acoustic absorptivity, intensity and microstructure. The results show that when the weight of foaming agent is 8 g, evenly defoamer is 1.5 g, the reaction temperature is 30 ℃, and the PU's acoustic absorptivity is 0.42, then the property of sound absorption material would be better after heating at 130 ℃ about 10 hours which acoustic absorptivity, intensity is 0.47and 0.68 MPa. SEM shows that it has a uniform distribution to open the pore and obdurate coexist microstructure.

polyurethane, foaming agent, evenly defoamer, acoustic absorptivity

TU 55

A

王啟強(1987-)，男，碩士，助教，主要從事高分子復(fù)合材料等方面的研究。

2016-06-24