CN110534083A

CN110534083A - 一种三相复合结构吸声材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN110534083A
Application number: CN201910810139.5A
Authority: CN
Inventors: 支超; 杜明娟; 余灵婕; 孟家光; 程燕婷; 樊威; 魏亮; 孙昭玲; 涂莉; 郜仲元
Original assignee: Xian Polytechnic University
Current assignee: Xian Polytechnic University
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2019-12-03

Abstract

本发明公开的一种三相复合结构吸声材料及其制备方法和应用，属于吸声材料技术领域。将填充有空心微珠的聚氨酯基体与3D间隔织物相复合，得到的三相复合结构吸声材料兼具空腔谐振吸声材料和微粒填充吸声材料的特点，同时，3D间隔织物的加入在材料内部形成了孔径为间隔丝直径、并填充有间隔丝的微穿孔，进一步提高材料的中低频吸声性能，3D间隔织物的良好缓冲性能可以明显提升材料的力学性能。该吸声材料可以作为建筑吸声材料和水下吸声材料，应用范围广，市场前景良好。其制备方法工艺简单、反应条件温和、制备周期短，适合工业化生产。

Description

一种三相复合结构吸声材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于吸声材料技术领域，具体涉及一种三相复合结构吸声材料及其制备方法和应用。

背景技术

聚氨酯材料因兼具多孔材料的吸声机理和柔性材料的阻尼吸声机理，且具有轻质的特点，是一类应用很广的吸声材料。但是，现有聚氨酯吸声材料普遍难以对中低频声波进行有效吸收，吸声频带较窄，同时，聚氨酯材料的绝对力学性能尚有不足，这些严重限制了此类材料的进一步应用。

微粒填充吸声结构是在粘弹性均质吸声材料中添加中空小球等散射体，利用散射体与声波的相互作用实现对声波的衰减，当声波在基体材料中传播时，遇到这些微粒会发生散射，并产生波形转换，使纵波转换为剪切波而被材料有效吸收。此外，在均质高分子基体中添加硬质散射结构(如空心玻璃微珠)，在提高吸声性能的同时也可以提高材料的抗压强度。

微穿孔板吸声结构是在普通穿孔板吸声结构基础上，将穿孔直径缩小到1mm以下。采用此种结构的吸声材料具有共振频率处吸声系数高，低频吸声性能好，吸声频带宽的特点。同时，相关研究表明，如在微穿孔板的微孔中穿入纤维等填料，可进一步提升微穿孔板的低频吸声性能，拓宽其吸声频带。

现有的吸声材料普遍存在低频吸声性能不佳/力学性能不足等缺陷，而对于层和吸声材料，则存在层和材料易分层的问题:

中国发明专利，公告号为CN106084749A的文献公开了一种聚氨酯吸声材料，包括双层复合聚氨酯泡沫，其中一层为硬质泡沫，另一层为软质泡沫。所述硬质泡沫是硬质闭孔型泡沫、半硬质开孔型泡沫和硬质开孔型泡沫中的任一种。所述软质泡沫为软质开孔型泡沫。采用双层复合形式，通过二次发泡制备得聚氨酯吸声材料。本发明采用两层复合聚氨酯泡沫，克服了柔性吸声材料因泡孔细小，单一样品中高频吸声效果一般的缺点，采用硬质泡沫和软质复合后，增大吸声频段，提高吸声性能同时也提高其力学性能。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。此发明涉及的是一种双层复合聚氨酯泡沫吸声材料，主要针对中高频段吸声，未针对低频吸声性能进行优化，且层和材料存在材料分层的可能。

中国发明专利，公告号为CN109111561A的文献公开了一种桐油酸基聚氨酯吸声材料的制备方法，包括：步骤一、将桐油酸多元醇、聚醚多元醇、发泡剂、扩链剂、第一催化剂、第二催化剂及泡沫稳定剂依次加入到纸杯中，静置；步骤二、以第一转速进行搅拌，之后，以第二转速搅拌，得到第一混合物，之后静置；同时将模具放在恒温箱中预热；步骤三、向静置后的第一混合物中加入异氰酸酯，之后，以第三转速搅拌，得到第二混合物；步骤四、将第二混合物倒入模具中，将混合物在模具中铺平，待混合物填满模具后盖上模具盖进行闭模发泡；之后，将装有发泡混合物的模具放入恒温箱中固化后，放在室温下固化；步骤五、将固化好的材料从模具中取出，除去表面结皮，得到桐油酸基聚氨酯吸声材料。此发明涉及的是一种桐油酸基聚氨酯吸声材料的制备方法，制备工艺复杂，且只适于空气吸声，尤其适用于汽车吸声，未针对水下吸声材料的结构特点进行设计。

中国发明专利，公告号为CN108544824A的文献公开了一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层，由表面层、夹芯吸声层和粘结层组成。表面层由与水密度接近且阻抗匹配的玻璃钢制成；夹芯吸声层采用聚氨酯、蛭石粉为原料，采用分层等方法制备为材料参数沿厚度方向变化的功能梯度结构，并夹杂空心玻璃微珠；玻璃微珠含量沿厚度方向从外到内逐渐减小，密度逐渐增大；夹芯吸声层采用粘结层与表面层和舰船钢外壳粘合，而粘结层也是粘弹性材料。本发明可以同时满足阻抗匹配、材料的声衰减性能好这两个条件，可以有效降低舰船与水下结构的目标强度与辐射噪声。此发明涉及的是一种由表面层、夹芯吸声层和粘结层组成的船舶水下减振吸声的声学覆盖层结构，多层结构易产生分层现象，另外表面层采用玻璃钢，密度相对较大。

中国实用新型专利，公告号为CN206494884U的文献提供了一种经编间隔织物增强聚氨酯复合物，包括经编间隔织物和聚氨酯泡沫反应浆料，经编间隔织物为经编间隔织物增强聚氨酯复合物的经络，聚氨酯泡沫反应浆料沿经编间隔织物的经向注入填充经编间隔织物的缝隙。通过经编间隔织物作为经络，然后沿其经向方向注入聚氨酯泡沫反应浆料，聚氨酯泡沫反应浆料在发泡熟化之后使得经编间隔织物的缝隙得以填充并且使得整体变硬，使得整体的力学性能变好，因而使得本实用新型的经编间隔织物增强聚氨酯复合物具备了良好的力学性能和经编间隔织物的良好的吸声性能，从而克服传统吸声材料不能兼顾力学性能和吸声性能的缺点。此发明涉及的是一种经编间隔织物增强聚氨酯复合物，不涉及空心微珠填充吸声结构，因此不具备空腔谐振吸声效应，吸声性能的可调节性相对较低，另外因未加入高性能空心微珠，力学性能相对较差。

发明内容

为了解决上述现有技术中吸声材料的中低频吸声性能不佳，力学性能较弱等缺陷，本发明公开了一种三相复合结构吸声材料及其制备方法和应用，结构设计合理，制造工艺简单，提升了中低频吸声性能和力学性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种三相复合结构吸声材料，包括3D间隔织物、聚氨酯基体和空心微珠；3D间隔织物与聚氨酯基体复合，空心微珠填充在聚氨酯基体中。

优选地，3D间隔织物的面层为编链组织和衬纬组织复合形成的针织物。

进一步优选地，编链组织的编链纱为涤纶，衬纬组织的衬纬纱为碳纤维丝束。

优选地，空心微珠的材质为玻璃。

优选地，空心微珠的粒径小于100μm，壁厚为粒径的2％～10％。

优选地，空心微珠在聚氨酯基体中的体积分数为20％～50％。

优选地，三相复合结构吸声材料的厚度为7～15mm，密度为0.2～1g/cm³；空气中，在100Hz～6300Hz范围内平均吸声系数为0.3，最高吸声系数为0.96，在3000～4000Hz范围内的平均吸声系数为0.79，在5500Hz～6300Hz范围内具有第二吸收峰；水中，在300Hz～4000Hz范围内平均吸声系数为0.31，最高吸声系数为0.75，在800～1200Hz范围内的平均吸声系数为0.48，在3800Hz～4000Hz范围内具有第二吸收峰。

本发明公开了上述三相复合结构吸声材料作为建筑吸声材料和水下吸声材料的应用。

本发明公开了上述三相复合结构吸声材料的制备方法，分为以下步骤：

步骤1：织造3D间隔织物；

步骤2：在模具中涂抹脱模剂，将裁剪好的3D间隔织物铺入模具中；

步骤3：将聚氨酯A料与空心微珠缓慢搅拌，混合均匀，再加入B料混合均匀，浇灌入模具中，经合模、发泡、成型后，开模；

步骤4：静置，得到三相复合结构吸声材料。

优选地，步骤4中，静置是在相对湿度60％～65％、温度22～28℃的条件下进行的，静置的时间为20～24h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种三相复合结构吸声材料，将填充有空心微珠的聚氨酯基体与3D间隔织物相复合，得到的三相复合结构吸声材料兼具空腔谐振吸声材料和微粒填充吸声材料的特点，同时，3D间隔织物的加入在材料内部形成了孔径为间隔丝直径、并填充有间隔丝的微穿孔，进一步提高材料的中低频吸声性能，3D间隔织物的良好缓冲性能可以明显提升材料的力学性能。此外，通过调节间隔织物参数、微珠种类、微珠体积分数可以实现对3D间隔织物/聚氨酯基体/空心微珠三相复合结构吸声材料吸声和力学性能的可控调节，以满足各领域吸声材料的要求。

进一步地，3D间隔织物的面层为编链组织和衬纬组织复合形成的针织物，可以减少纵向延伸性，有利于表面层的结构稳定。

更进一步地，衬纬纱采用碳纤维丝束，沿纤维轴向表现出很高的强度，作为衬纬纱在面组织中屈曲程度相对小，其力学性能得以很大程度的保存发挥。

进一步地，空心微珠的材质为玻璃，质量轻，尺寸稳定，具有良好的再加工性能。

进一步地，空心微珠的粒径小于100μm，壁厚为粒径的2％～10％，构成薄壁空腔结构，能够通过空腔谐振、波形转换有效吸收声波。

进一步地，空心微珠在聚氨酯基体中的体积分数为20％～50％，实验证明，空心微珠体积分数低于20％时，吸声性能相对较差，体积分数高于50％时，由于空腔结构的影响，力学性能下降。

进一步地，该三相复合结构吸声材料轻薄、密度低，在空气中和水中均具有良好的吸声性能。

本发明公开的上述三相复合结构吸声材料可以作为建筑吸声材料和水下吸声材料，应用范围广，市场前景良好。

本发明公开的上述三相复合结构吸声材料的制备方法，工艺简单、反应条件温和、制备周期短，适合工业化生产。

附图说明

图1为本发明的三相复合结构吸声材料的结构示意图；

图中：1为3D间隔织物；2为聚氨酯基体；3为空心微珠。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1，为本发明的三相复合结构吸声材料，包括3D间隔织物1、聚氨酯基体2和空心微珠3；3D间隔织物1的面层采用编链组织和衬纬组织复合形成的针织物。3D间隔织物1与聚氨酯基体2复合，空心微珠3在聚氨酯基体2中的体积分数为20％～50％，空心微珠3填充在聚氨酯基体2中。编链组织的编链纱可以采用涤纶，衬纬组织的衬纬纱可以采用碳纤维丝束。空心微珠3可以采用玻璃材质，粒径小于100μm，壁厚为粒径的2％～10％。

上述三相复合结构吸声材料通常制备成厚度为7～15mm，密度为0.2～1g/cm³的规格。

上述三相复合结构吸声材料可以作为建筑吸声材料和水下吸声材料，能够满足航空航天、海事、交通及建筑各领域应用的要求。

上述三相复合结构吸声材料可以采用以下方法制备得到，分为以下步骤：

步骤1：3D间隔织物1采用具有GB1～GB6共6把梳栉的双针床拉舍尔经编机织造，GB2、GB5上所带纱线为涤纶复丝，GB1、GB6上所带为碳纤维丝束，GB3、GB4上所带为涤纶单丝；GB1和GB2两把梳栉在前针床编织3D间隔织物的上表面，GB5和GB6两把梳栉则在后针床编织织物的下表面，GB3和GB4两把梳栉上携带着间隔丝，在前后两个针床交替编织以将间隔织物的上下表面用间隔丝连接，形成3D间隔织物1；

步骤2：在模具中涂抹脱模剂，将裁剪好的3D间隔织物1铺入模具中；

步骤3：将聚氨酯A料与空心微珠3缓慢搅拌，混合均匀，再加入B料混合均匀，浇灌入模具中，经合模、发泡、成型后，开模；

步骤4：在相对湿度60％～65％、温度22～28℃的条件下静置20～24h，得到本发明的三相复合结构吸声材料。

下面以一个具体实施例对本发明的三相复合结构吸声材料的制备方法进行进一步解释：

在机号为E18的双针床拉舍尔经编机上编织表层为编链+衬纬的经编间隔织物，双针床拉舍尔经编机有6把梳栉(GB1～GB6)，其中GB1和GB2两把梳栉在前针床编织3D间隔织物的上表面；GB5和GB6两把梳栉则在后针床编织织物的下表面；GB3和GB4两把梳栉上携带着间隔丝在前后两个针床交替编织以将间隔织物的上下表面用间隔丝连接起来，从而形成最终的三维整体结构。GB2、GB5上所带纱线为300D/96F的涤纶复丝；GB1、GB6上所带为碳纤维丝束；GB3、GB4上所带为直径0.2mm的涤纶单丝。所得织物厚度为7～8mm，面密度为900～950g/m²。织物下机后，在模具上、下平板涂抹脱模剂，将裁剪好的3D间隔织物铺入模具中。将聚氨酯A料(多元醇)与3M公司生产的S60HS型空心微珠缓慢搅拌，混合均匀，再加入B料(异氰酸酯)混合均匀，浇灌入模具中，合模、发泡、成型后，开模，整个操作在环境温度25℃、对湿度60％的条件下进行，然后在该条件下静置20h。制得3D间隔织物/聚氨酯泡沫/空心微珠三相复合结构吸声材料。

性能验证：

依据GB/T18696.2 2002标准，采用阻抗管测试系统在100至6300Hz频率范围内进行吸声系数测试，平均吸声系数达到0.30，具有一定吸音效果，尤其在3000～4000Hz范围内平均吸声系数可达0.79以上，相较其它频率段，具有更好的吸声效果，最高吸声系数可达到0.96，在5500Hz～6300Hz范围内出现第二吸收峰，可实现多频段的吸声，部分数据见表1：

表1

频率(Hz)	1000	2000	3000	4000	5000	6000	平均	最高
									吸声系数	0.10	0.13	0.62	0.52	0.16	0.28	0.30	0.96

依据CB3674-1995标准，采用水声材料驻波管在300至4000Hz频率范围内进行水下吸声系数测试，平均吸声系数达到0.31，尤其在800～1200Hz范围内吸声性能迅速提高，平均吸声系数达到0.48，相较其它频率段，具有更好的吸声效果，最高吸声系数达到0.75，能够对中低段频进行有效吸收。另外，在3800Hz～4000Hz范围内出现第二吸收峰，实现多频段吸声，部分数据见表2：

表2

频率(Hz)	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000	平均	最高
										吸声系数	0.72	0.31	0.31	0.36	0.23	0.24	0.43	0.31	0.75

由表1、表2可以看出，此种三相复合结构吸声材料在水中和空气中均具有较宽的吸声频带，且吸收峰处吸声系数高，整体吸声性能较好。此外，通过调节材料结构参数，可对材料在不同频段的吸声性能进行较为精确的控制，满足不同外界环境的吸声要求。

Claims

1.一种三相复合结构吸声材料，其特征在于，包括3D间隔织物(1)、聚氨酯基体(2)和空心微珠(3)；3D间隔织物(1)与聚氨酯基体(2)复合，空心微珠(3)填充在聚氨酯基体(2)中。

2.根据权利要求1所述的三相复合结构吸声材料，其特征在于，3D间隔织物(1)的面层为编链组织和衬纬组织复合形成的针织物。

3.根据权利要求2所述的三相复合结构吸声材料，其特征在于，编链组织的编链纱为涤纶，衬纬组织的衬纬纱为碳纤维丝束。

4.根据权利要求1所述的三相复合结构吸声材料，其特征在于，空心微珠(3)的材质为玻璃。

5.根据权利要求1所述的三相复合结构吸声材料，其特征在于，空心微珠的粒径小于100μm，壁厚为粒径的2％～10％。

6.根据权利要求1所述的三相复合结构吸声材料，其特征在于，空心微珠(3)在聚氨酯基体(2)中的体积分数为20％～50％。

7.根据权利要求1所述的三相复合结构吸声材料，其特征在于，三相复合结构吸声材料的厚度为7～15mm，密度为0.2～1g/cm³；空气中，在100Hz～6300Hz范围内平均吸声系数为0.3，在3000～4000Hz范围内的平均吸声系数为0.79，最高吸声系数为0.96，在5500Hz～6300Hz范围内具有第二吸收峰；水中，在300Hz～4000Hz范围内平均吸声系数为0.31，在800～1200Hz范围内的平均吸声系数为0.48，最高吸声系数为0.75，在3800Hz～4000Hz范围内具有第二吸收峰。

8.权利要求1～7任意一项所述三相复合结构吸声材料作为建筑吸声材料和水下吸声材料的应用。

9.权利要求1～7任意一项所述三相复合结构吸声材料的制备方法，其特征在于，分为以下步骤：

步骤1：织造3D间隔织物(1)；

步骤2：在模具中涂抹脱模剂，将裁剪好的3D间隔织物(1)铺入模具中；

步骤3：将聚氨酯A料与空心微珠(3)缓慢搅拌，混合均匀，再加入B料混合均匀，浇灌入模具中，经合模、发泡、成型后，开模；

步骤4：静置，得到三相复合结构吸声材料。

10.根据权利要求9所述的三相复合结构吸声材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，静置是在相对湿度60％～65％、温度22～28℃的条件下进行的，静置的时间为20～24h。