激勵磁場和鐵粉含量對磁性聚氨酯泡沫吸聲性能的影響*

李趙春，王彩萍，趙玉辰，張家華，王曉杰

(1. 南京林業(yè)大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，南京 210037； 2. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院 先進制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164)

0 引 言

聚氨酯泡沫是一種典型的多孔型吸聲材料，它既有聚氨酯的高分子材料的優(yōu)良性能，并同時綜合了多孔材料和柔性材料的吸聲原理[1-4]。因此其具有輕質(zhì)、吸聲系數(shù)大、加工方便、防水等優(yōu)良特性，在車輛、建筑、交通、機器人等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[5-8]。

磁性聚氨酯泡沫是一種將微米級的磁性顆粒填充到高分子聚合物基體中的智能吸聲材料[9-11]。由于磁性顆粒的存在，改變了聚氨酯泡沫的微觀結(jié)構(gòu)，從而使材料的聲學(xué)性能和力學(xué)性能具有磁場可控性[12-14]。目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于磁性泡沫的制備及其聲學(xué)性能開展了廣泛的研究。Scarpa等將2～5 μm的羥基鐵顆粒填充至柔性聚氨酯泡沫的基體中，在恒定磁場中測試了材料的吸聲系數(shù)，發(fā)現(xiàn)在一定頻帶內(nèi)吸聲系數(shù)曲線的峰值發(fā)生了移動[15]。此外，Scarpa等人還將磁流變液體作為硬質(zhì)聚氨酯泡沫的涂層研究其聲學(xué)性能，相比傳統(tǒng)的聚氨酯泡沫，有MR涂層的新型聚氨酯泡沫在低頻段表現(xiàn)出了更好的吸聲特性[16]。Gong等通過原位聚合和發(fā)泡法制備了一種新型聚氨酯磁流變泡沫材料，羰基鐵粒子的引入改善了800～2 000 Hz頻段的吸聲性能[17]。王曉杰等研究了羰基鐵粉添加和聚醚多元醇與異氰酸酯不同比例對聚氨酯泡沫的物理特征參數(shù)和低頻吸聲性能的影響[18]。課題組前期通過實驗發(fā)現(xiàn)[12, 19]，磁性顆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的低頻吸聲性能，并研究了聚醚多元醇與異氰酸酯的比例對吸聲性能的影響。由此可見，磁性泡沫的研究正在開展廣泛，制備原料的類型、配比、制備磁場的強度、磁性顆粒的含量等對材料的吸聲性能均產(chǎn)生重要的影響。然而，目前各種制備條件等因素對材料吸聲性能的影響和規(guī)律，各研究并沒有一致并完整的結(jié)論。

本文采用一步全水發(fā)泡法制備了羰基鐵粉含量為15%、40%與80%(質(zhì)量分數(shù))的各向同性與不同各向異性程度的10種磁性聚氨酯泡沫試樣。泡沫的不同各項異性程度由自制的勵磁裝置對發(fā)泡過程中的泡沫施加不同強度的磁場獲得，通過對勵磁裝置電流的調(diào)節(jié)對泡沫區(qū)域分別施加50、100，150和200 mT的均勻磁場。利用阻抗管法，通過測試傳遞函數(shù)從而計算出磁性泡沫試樣在64～1 600 Hz范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)曲線，比較分析了激勵磁場和鐵粉含量分別對吸聲性能的影響。

1 實 驗

1.1 主要原料

本文以聚氨酯為泡沫基體，羥基鐵粉為添加的改性體，利用一步全水發(fā)泡法制備磁性聚氨酯泡沫。制備磁性聚氨酯泡沫所需的原料包括：聚醚多元醇、二苯甲基丙烷二異氰酸酯(MDI)、羰基鐵粉、發(fā)泡劑去離子水、表面活性劑硅油、催化劑二丁基錫二月桂酸等。各原料的具體型號規(guī)格和廠家如表1所示。

表1 磁性聚氨酯泡沫的主要原料

1.2 磁場激勵下的磁性聚氨酯泡沫制備

磁性泡沫的制備流程如圖1所示，首先將A組分各原料混合，即先將聚醚多元醇和羰基鐵粉在室溫條件下混合均勻，然后依次分別加入發(fā)泡劑去離子水、表面活性劑硅油、催化劑二丁基錫二月桂酸，室溫下攪拌均勻，充分混合。接下來，將B組分MDI倒入混合好的A組分中，室溫下攪拌30s，并快速倒入模具中，同時利用勵磁裝置對混合原料施加一定強度的磁場，在室溫下發(fā)泡固化3小時。

圖1 磁性聚氨酯泡沫制備的流程Fig 1 Preparation process of magnetic polyurethane foam

根據(jù)吸聲系數(shù)測試所使用的阻抗管內(nèi)徑和管內(nèi)空間，選取被測試樣尺寸為直徑100 mm，厚度25 mm的圓柱形泡沫?？紤]到模具與磁性聚氨酯泡沫的表面會形成一定的缺陷，因此磨具的泡沫發(fā)生區(qū)域直徑設(shè)計為120 mm，有效高度為50 mm。材料制備好后，再利用切割機用熱切割的方法將泡沫切割成測試試樣的尺寸規(guī)格。

勵磁裝置的作用是給發(fā)泡中的泡沫施加磁場，制備出各向異性的磁性聚氨酯泡沫。有文獻采用永久磁鐵施加磁場[20]，這種方式容易實現(xiàn)，但是磁場強度不便于調(diào)節(jié)，且磁場不均勻。本文采用課題組設(shè)計加工的勵磁裝置，利用電磁線圈形成磁路，通過調(diào)節(jié)電流的大小來改變磁場強度從而制備出各向異性程度不同的磁性聚氨酯泡沫。勵磁裝置的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖如圖1所示，由頂蓋、底座、端蓋、墊板、模具和繞組線圈等組成。對繞組線圈施加電流形成磁路，磁場從泡沫厚度的方向穿過。

圖2 勵磁裝置Fig 2 Excitation device

本文在不同鐵粉含量或激勵磁場條件下，制備了10種磁性聚氨酯泡沫試樣，具體配方和磁場條件如表2所示。表中，1#～4#試樣的鐵粉含量均為15%，分別施加了4種不同強度的磁場；5#～8#試樣的鐵粉含量均為40%，分別施加了4種不同強度的磁場。9#和10#試樣為80%，其中9#未施加磁場，即為各向同性材料，10#施加了50 mT的磁場強度。對于鐵粉含量過高的磁性聚氨酯泡沫，當(dāng)制備磁場強度超過50 mT，在磁場的作用下，鐵磁顆粒在磁場的作用下發(fā)生位移會阻礙泡沫的發(fā)泡過程，從而難以形成泡沫的形狀。因此，對于鐵粉含量為80%的試樣制備了兩種，即不施加磁場的各項同性材料和施加50 mT磁場的各項異性材料。

表2 磁性聚氨酯泡沫配方

圖3為所制備的部分磁性泡沫試樣切割的樣品，4#、8#和10#試樣的鐵粉含量分別為15%、40%和80%，制備過程所施加的磁場均為50 mT。切割成方形后的樣品可清晰看出材料中的鐵磁顆粒大體呈鏈狀分布。

圖3 不同鐵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 吸聲性能測試方法

本文采用國標(biāo)GB/T18696.2—2002中的傳遞函數(shù)法測試吸聲系數(shù)，采用的儀器為北京聲望聲電技術(shù)有限公司的SW422型阻抗管、MC3242型多通道數(shù)據(jù)采集儀、MPA416型傳聲器和PA50型功率放大器。其中，SW422型阻抗管為低頻、四傳聲器，吸聲測試頻率范圍為64～1 600 Hz；MC3242型多通道數(shù)據(jù)采集儀有4通道輸入、2通道輸出，測試頻率范圍為0～20 KHz；傳聲器為1/4英寸，靈敏度為50 mV/Pa。利用雙傳聲器法測量磁性聚氨酯泡沫的吸聲系數(shù)測試系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)需要兩個傳聲器固定在管壁上，其中一個傳聲器測試管中的入射波，另一個傳聲器測試反射波，分別將入射聲波和反射聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。數(shù)據(jù)采集儀將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入計算機軟件進行分析和處理，從而得到材料在頻率范圍的吸聲系數(shù)。如圖4所示，將1#～10#聚氨酯泡沫材料試樣分別放入阻抗管內(nèi)部進行測試，為減小隨機誤差，每個試樣測試3次，取平均值作為該試樣的吸聲系數(shù)曲線。

圖4 磁性聚氨酯泡沫吸聲系數(shù)測試系統(tǒng)Fig 4 Measurement system of sound absorption for magnetic polyurethane foam

2 結(jié)果與討論

2.1 激勵磁場對吸聲性能的影響

1#～10#磁性聚氨酯泡沫的吸聲性能測試結(jié)果如圖5所示。由吸聲系數(shù)結(jié)果可見，隨著激勵磁場強度的增加，吸聲曲線整體上明顯向右移動，曲線的峰值也明顯增加，其中鐵粉質(zhì)量分數(shù)為40%的試樣對應(yīng)的曲線右移和峰值增加的程度相比質(zhì)量分數(shù)為15%的試樣都更為明顯。鐵粉質(zhì)量分數(shù)為80%的兩個試樣，磁場的施加其吸聲特性曲線表現(xiàn)為更明顯的右移趨勢。以上現(xiàn)象說明，對于磁性聚氨酯泡沫在制備過程中施加磁場有利于提高中頻部分的吸聲性能，而在低頻部分吸聲系數(shù)有一定程度上降低。而鐵粉質(zhì)量分數(shù)的增加會增強這種趨勢。

圖5 不同激勵磁場的磁性聚氨酯泡沫試樣吸聲系數(shù)測試結(jié)果Fig 5 Measurement results of sound absorption coefficient of the magnetic polyurethane foam under different magnetic field intensity

表3 各試樣的吸聲系數(shù)峰值及其對應(yīng)頻率

表3對比了1#～10#磁性泡沫試樣的吸聲系數(shù)曲線的峰值及峰值所對應(yīng)的頻率。其中，從1#～4#試樣的對比結(jié)果可見，對于鐵磁顆粒質(zhì)量分數(shù)為15%的試樣，隨著材料制備過程激勵磁場的增加，吸聲系數(shù)峰值隨之增加，從0.87增大到0.96，且峰值對應(yīng)的頻率也隨之增加。由5#～8#試樣的對比結(jié)果說明，鐵磁顆粒質(zhì)量分數(shù)為40%的試樣出現(xiàn)了同樣的規(guī)律，而相比1#～4#試樣，其峰值變化范圍為0.86～0.98。由此可見，隨著鐵粉質(zhì)量分數(shù)的增加，磁性聚氨酯泡沫吸聲性能的可調(diào)范圍相應(yīng)變大?？烧{(diào)范圍是評價智能材料性能的重要指標(biāo)之一，同時也是材料能否適用于工程應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

2.2 鐵粉含量對吸聲性能的影響

不同鐵粉含量條件下制備的磁性聚氨酯泡沫的吸聲系數(shù)曲線對比如圖6所示。由圖6可見，吸聲系數(shù)在幾種鐵粉含量條件下的吸聲系數(shù)在中頻之后的值總體均較大，其中800～1 600 Hz的吸聲系數(shù)均大于0.5。圖6a，b，c可見，鐵粉質(zhì)量分數(shù)為40%的材料相比15%的材料吸聲系數(shù)總體有所提高，特別體現(xiàn)在中間頻段部分。這是因為，鐵粉使得聚氨酯泡沫材料的孔腔骨架增厚，網(wǎng)狀率會隨之增加，聲波在材料內(nèi)部傳播過程中所耗散的能量增加。

而在圖6d中，鐵粉含量高的8#試樣相對鐵粉含量低的4#試樣，吸聲特性曲線略向右移，高頻部分的吸聲系數(shù)略有提高，而中低頻部分的吸聲系數(shù)略有減小。這是因為，圖6d中的兩個試樣所施加的激勵磁場強度最大，為200 mT。激勵磁場的增加，使得磁性聚氨酯泡沫內(nèi)部鐵磁顆粒的鏈狀排列趨勢進一步增強，因此泡沫內(nèi)部的孔腔徑受激勵磁場的影響也增大。當(dāng)鐵粉含量增加時，更多的鐵磁顆粒嵌入泡沫骨架中，減小了材料的流阻率和孔隙率，同時也改變了材料的微觀結(jié)構(gòu)。在泡沫生長過程中，孔腔沿顆粒鏈方向被拉長，從而導(dǎo)致吸聲特性曲線有右移的趨勢。

圖6 不同鐵粉含量的磁性聚氨酯泡沫試樣吸聲系數(shù)測試結(jié)果Fig 6 Measurement results of sound absorption coefficient of the magnetic polyurethane foam under different iron powder content

由以上結(jié)果分析可知，鐵粉含量的增加會在總體上提高所測頻段吸聲系數(shù)，尤其是中低頻部分。而制備過程中的激勵磁場會使吸聲特性曲線右移，即中高頻部分的吸聲系數(shù)增大，而低頻部分的吸聲系數(shù)減小。兩種制備條件對磁性聚氨酯泡沫材料的吸聲特性起到綜合影響的作用。

3 結(jié) 論

共制備了10種添加不同羰基鐵粉含量的磁性聚氨酯泡沫試樣，包括15%，40%和80%，并在制備過程中施加了不同強度的磁場，分別為50 mT、100 mT、150 mT和200 mT。制備的10種試樣用于測試不同激勵磁場和不同鐵粉含量對材料吸聲性能的影響。得出了以下結(jié)論：

(1)制備過程中對磁性聚氨酯泡沫施加某一固定大小的激勵磁場，形成各向異性的磁性泡沫材料，材料的吸聲性能也隨之改變。當(dāng)激勵磁場強度增加，即材料的各向異性程度增加時，吸聲系數(shù)曲線的峰值隨之增大，同時峰值所對應(yīng)的頻率也增大，曲線整體出現(xiàn)右移趨勢，提高了中高頻部分的吸聲系數(shù)。對于鐵粉含量較多的材料，隨著激勵磁場強度的增加其吸聲系數(shù)曲線峰值增加和曲線右移的趨勢也更為明顯。

(2)鐵粉含量的多少對材料的吸聲系數(shù)有明顯的影響。鐵粉質(zhì)量分數(shù)大的材料相對于鐵粉質(zhì)量分數(shù)小的材料，其吸聲系數(shù)在整個測量頻率范圍內(nèi)總體上有一定程度的提高，特別體現(xiàn)在中間頻段。不同的鐵粉含量，材料的吸聲系數(shù)曲線并沒有出現(xiàn)明顯的頻移現(xiàn)象，僅在部分中間頻段出現(xiàn)吸聲系數(shù)值的提升。

(3)磁性聚氨酯泡沫制備時所添加的鐵粉含量多少和激勵磁場大小對其吸聲性能產(chǎn)生綜合的影響。當(dāng)鐵粉含量增加，激勵磁場強度也同時增加時，吸聲系數(shù)曲線出現(xiàn)整體提升和整體右移，反之亦然。

(4)磁性泡沫材料展現(xiàn)出較好的吸聲性能可設(shè)計的特性，本文測試的吸聲頻率范圍是64～1 600 Hz，屬于聲音信號頻率范圍的低頻，若能在更大的頻率范圍測試材料的吸聲性能，則在可獲得制備條件對磁性泡沫材料吸聲性能影響更全面的規(guī)律。