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(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037； 2. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院 先進(jìn)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(shí)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(chē)輛、建筑、交通、機(jī)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(jí)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(guān)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(chǎng)可控性[12-14]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于磁性泡沫的制備及其聲學(xué)性能開(kāi)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(chǎng)中測(cè)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(xiàn)的峰值發(fā)生了移動(dòng)[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(guò)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)吸聲性能的影響。由此可見(jiàn)，磁性泡沫的研究正在開(kāi)展廣泛，制備原料的類(lèi)型、配比、制備磁場(chǎng)的強(qiáng)度、磁性顆粒的含量等對(duì)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(duì)材料吸聲性能的影響和規(guī)律，各研究并沒(méi)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?jǐn)?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(xiàng)異性程度由自制的勵(lì)磁裝置對(duì)發(fā)泡過(guò)程中的泡沫施加不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)獲得，通過(guò)對(duì)勵(lì)磁裝置電流的調(diào)節(jié)對(duì)泡沫區(qū)域分別施加50、100，150和200 mT的均勻磁場(chǎng)。利用阻抗管法，通過(guò)測(cè)試傳遞函數(shù)從而計(jì)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(xiàn)，比較分析了激勵(lì)磁場(chǎng)和鐵粉含量分別對(duì)吸聲性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

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(hào)規(guī)格和廠(chǎng)家如表1所示。

表1 磁性聚氨酯泡沫的主要原料

1.2 磁場(chǎng)激勵(lì)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(lái)，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(shí)利用勵(lì)磁裝置對(duì)混合原料施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，在室溫下發(fā)泡固化3小時(shí)。

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(cè)試所使用的阻抗管內(nèi)徑和管內(nèi)空間，選取被測(cè)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(huì)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(jì)為120 mm，有效高度為50 mm。材料制備好后，再利用切割機(jī)用熱切割的方法將泡沫切割成測(cè)試試樣的尺寸規(guī)格。

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

圖2 勵(lì)磁裝置Fig 2 Excitation device

本文在不同鐵粉含量或激勵(lì)磁場(chǎng)條件下，制備了10種磁性聚氨酯泡沫試樣，具體配方和磁場(chǎng)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(qiáng)度的磁場(chǎng)；5#～8#試樣的鐵粉含量均為40%，分別施加了4種不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)。9#和10#試樣為80%，其中9#未施加磁場(chǎng)，即為各向同性材料，10#施加了50 mT的磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于鐵粉含量過(guò)高的磁性聚氨酯泡沫，當(dāng)制備磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)50 mT，在磁場(chǎng)的作用下，鐵磁顆粒在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生位移會(huì)阻礙泡沫的發(fā)泡過(guò)程，從而難以形成泡沫的形狀。因此，對(duì)于鐵粉含量為80%的試樣制備了兩種，即不施加磁場(chǎng)的各項(xiàng)同性材料和施加50 mT磁場(chǎng)的各項(xiàng)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(guò)程所施加的磁場(chǎng)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(cè)試方法

本文采用國(guó)標(biāo)GB/T18696.2—2002中的傳遞函數(shù)法測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量磁性聚氨酯泡沫的吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)需要兩個(gè)傳聲器固定在管壁上，其中一個(gè)傳聲器測(cè)試管中的入射波，另一個(gè)傳聲器測(cè)試反射波，分別將入射聲波和反射聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。數(shù)據(jù)采集儀將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)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(jìn)行測(cè)試，為減小隨機(jī)誤差，每個(gè)試樣測(cè)試3次，取平均值作為該試樣的吸聲系數(shù)曲線(xiàn)。

圖4 磁性聚氨酯泡沫吸聲系數(shù)測(cè)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(lì)磁場(chǎng)對(duì)吸聲性能的影響

1#～10#磁性聚氨酯泡沫的吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由吸聲系數(shù)結(jié)果可見(jiàn)，隨著激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，吸聲曲線(xiàn)整體上明顯向右移動(dòng)，曲線(xiàn)的峰值也明顯增加，其中鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的試樣對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)右移和峰值增加的程度相比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的試樣都更為明顯。鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的兩個(gè)試樣，磁場(chǎng)的施加其吸聲特性曲線(xiàn)表現(xiàn)為更明顯的右移趨勢(shì)。以上現(xiàn)象說(shuō)明，對(duì)于磁性聚氨酯泡沫在制備過(guò)程中施加磁場(chǎng)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?jǐn)?shù)的增加會(huì)增強(qiáng)這種趨勢(shì)。

圖5 不同激勵(lì)磁場(chǎng)的磁性聚氨酯泡沫試樣吸聲系數(shù)測(cè)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(duì)應(yīng)頻率

表3對(duì)比了1#～10#磁性泡沫試樣的吸聲系數(shù)曲線(xiàn)的峰值及峰值所對(duì)應(yīng)的頻率。其中，從1#～4#試樣的對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于鐵磁顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的試樣，隨著材料制備過(guò)程激勵(lì)磁場(chǎng)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(duì)應(yīng)的頻率也隨之增加。由5#～8#試樣的對(duì)比結(jié)果說(shuō)明，鐵磁顆粒質(zhì)量分?jǐn)?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(jiàn)，隨著鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?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。可調(diào)范圍是評(píng)價(jià)智能材料性能的重要指標(biāo)之一，同時(shí)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(duì)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(xiàn)對(duì)比如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，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(jiàn)，鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?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?yàn)?，鐵粉使得聚氨酯泡沫材料的孔腔骨架增厚，網(wǎng)狀率會(huì)隨之增加，聲波在材料內(nèi)部傳播過(guò)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(duì)鐵粉含量低的4#試樣，吸聲特性曲線(xiàn)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?yàn)?，圖6d中的兩個(gè)試樣所施加的激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，為200 mT。激勵(lì)磁場(chǎng)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(shì)進(jìn)一步增強(qiáng)，因此泡沫內(nèi)部的孔腔徑受激勵(lì)磁場(chǎng)的影響也增大。當(dāng)鐵粉含量增加時(shí)，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(shí)也改變了材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。在泡沫生長(zhǎng)過(guò)程中，孔腔沿顆粒鏈方向被拉長(zhǎng)，從而導(dǎo)致吸聲特性曲線(xiàn)有右移的趨勢(shì)。

圖6 不同鐵粉含量的磁性聚氨酯泡沫試樣吸聲系數(shù)測(cè)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(huì)在總體上提高所測(cè)頻段吸聲系數(shù)，尤其是中低頻部分。而制備過(guò)程中的激勵(lì)磁場(chǎng)會(huì)使吸聲特性曲線(xiàn)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(duì)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(guò)程中施加了不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)，分別為50 mT、100 mT、150 mT和200 mT。制備的10種試樣用于測(cè)試不同激勵(lì)磁場(chǎng)和不同鐵粉含量對(duì)材料吸聲性能的影響。得出了以下結(jié)論：

(1)制備過(guò)程中對(duì)磁性聚氨酯泡沫施加某一固定大小的激勵(lì)磁場(chǎng)，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(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，即材料的各向異性程度增加時(shí)，吸聲系數(shù)曲線(xiàn)的峰值隨之增大，同時(shí)峰值所對(duì)應(yīng)的頻率也增大，曲線(xiàn)整體出現(xiàn)右移趨勢(shì)，提高了中高頻部分的吸聲系數(shù)。對(duì)于鐵粉含量較多的材料，隨著激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加其吸聲系數(shù)曲線(xiàn)峰值增加和曲線(xiàn)右移的趨勢(shì)也更為明顯。

(2)鐵粉含量的多少對(duì)材料的吸聲系數(shù)有明顯的影響。鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)大的材料相對(duì)于鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小的材料，其吸聲系數(shù)在整個(gè)測(cè)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(xiàn)并沒(méi)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(shí)所添加的鐵粉含量多少和激勵(lì)磁場(chǎng)大小對(duì)其吸聲性能產(chǎn)生綜合的影響。當(dāng)鐵粉含量增加，激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度也同時(shí)增加時(shí)，吸聲系數(shù)曲線(xiàn)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(jì)的特性，本文測(cè)試的吸聲頻率范圍是64～1 600 Hz，屬于聲音信號(hào)頻率范圍的低頻，若能在更大的頻率范圍測(cè)試材料的吸聲性能，則在可獲得制備條件對(duì)磁性泡沫材料吸聲性能影響更全面的規(guī)律。