CN113045886B - 一种软质聚氨酯泡沫及其构成的共振腔结构 - Google Patents

一种软质聚氨酯泡沫及其构成的共振腔结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种软质聚氨酯泡沫及其构成的共振腔结构，所述的软质聚氨酯泡沫的骨架上附着有氧化铝纳米粒子，所述的共振腔结构由所述的软质聚氨酯泡沫构成。与现有技术相比，本发明具有制备工艺简单，吸声除噪效果较优等优点。

Description

一种软质聚氨酯泡沫及其构成的共振腔结构
技术领域
本发明涉及聚氨酯吸声材料制品技术领域，具体涉及一种软质聚氨酯泡沫及其构成的共振腔结构。
背景技术
随着我国经济的不断发展和社会的不断进步，伴随着的环境问题也越发引起国家和人民大众的关注重视，目前人民主要被水污染、空气污染、固体废弃物和噪声污染这四类污染问题所困扰。其中，噪声污染对人民大众的生活影响越来越大，如何控制噪声污染、减轻噪声对人体的危害也摆在了科研工作者的案头上。变电站(换流站)低频噪声治理日益受到关注，利用吸声材料降噪成为治理低频噪声的重要途径之一。
吸声材料是具有较强的吸收声能、减低噪声性能的材料，借助自身的多孔性、薄膜作用或共振作用而对入射声能具有吸收作用的材料。吸声材料要与周围的传声介质的声特性阻抗匹配，使声能无反射地进入吸声材料，并使入射声能绝大部分被吸收。在噪声控制工程中，常常需要用到各种各样的吸声材料，而其中应用最广泛的是多孔吸声材料。多孔吸声材料具有高频吸声系数大、比重小等优点，是一种广泛采用的吸声降噪材料。其中，聚氨酯(PU)是一种性能优良的吸声材料，而软质PU泡沫塑料在吸声领域中较为出名，它综合了聚氨酯的优良高分子材料性能以及多孔材料吸声功能和柔性材料的阻尼吸声功能，具有较好的吸声、隔声性能。
中国专利CN201410649702.2公开了一种智能磁性降噪聚氨酯泡沫的制备方法，采用添加羧基铁粉或羰基镍粉的方式提高聚氨酯泡沫的吸声降噪性能。但需将添加材料铁粉进行羧酸化预处理，工序较多，工艺较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种软质聚氨酯泡沫及其构成的共振腔结构，制备工艺简单，吸声除噪效果较优。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种软质聚氨酯泡沫，骨架上附着有氧化铝纳米粒子。软质聚氨酯泡沫具有开孔结构，进入材料内的声波可以在孔与孔之间的缝隙和微孔中进行传递运动，这些传递运动是由于声波振动而产生的。氧化铝纳米粒子附着在泡沫骨架上后，总体比表面积增加，纳米粒子间细微的孔隙及超微粒子之间激烈运动增大，增加了内摩擦力和黏滞阻力而使得声能衰减，提高了软质聚氨酯泡沫的吸声除噪效果。氧化铝纳米粒子粒度小，粉体比表面积大，耐热耐腐蚀，在空气中不会被氧化，且氧化铝纳米粒子与金属纳米粒子、非金属氧化物等相比，分散得更为均匀，具有良好的相容性，成本更低。
优选地，所述的氧化铝纳米粒子的附着方法包括将洁净的软质聚氨酯泡沫置于Al2O3悬浮液中浸泡培养。本发明采用Al2O3悬浮液直接浸泡成形的软质聚氨酯泡沫(PU泡沫)，而不是在制备泡沫的过程中加悬浮液，此方法易操作且简便。
优选地，所述的氧化铝纳米粒子的附着方法具体包括以下步骤：
(1)在超声波清洗仪中加入酒精和水，放入软质聚氨酯泡沫清洗，随后将软质聚氨酯泡沫放进烘箱烘至全干；
(2)用Al2O3悬浮液对烘干的软质聚氨酯泡沫进行浸泡培养，使悬浮液没过泡沫表面，浸泡完成后取出烘至全干，之后在室温下冷却，得到泡沫的骨架上附着有氧化铝纳米粒子软质聚氨酯泡沫。
本发明软质聚氨酯泡沫购自南通永嘉恒业海绵制品有限公司，型号为YJ-002，厚度为20mm，直径为100mm，具有开孔结构，在生产运输过程中可能会落入脏污，步骤(1)操作不仅能洗去泡沫中的脏污，而且可以增加一部分开孔数量，能提高吸声性能。烘干温度为80℃，在不影响软质聚氨酯泡沫性能、结构的同时实现快速烘干。
优选地，步骤(1)所述的酒精和水的比例为1:2～4，清洗时间为10～15min；步骤(2)所述的浸泡培养时间为40～80min。
优选地，所述的氧化铝纳米粒子的粒度为200～300nm，优选为300mm。Al2O3悬浮液可购自浙江理协仪器设备有限公司，型号为AlPN，浓度0.3um/500ml。该尺寸的纳米粒子附着在泡沫骨架上，提供了较为合适的比表面积，也有利于分散，不至于团聚到一起。
一种共振腔结构，由权利要求1～5任一项所述的软质聚氨酯泡沫构成。
优选地，所述的共振腔结构包括有机玻璃底板、环形设置在有机玻璃底板上的有机玻璃侧壁以及固定在有机玻璃侧壁上软质聚氨酯泡沫。有机玻璃具有较好的透明性、化学稳定性、力学性能和耐候性，易染色，易加工，外观优美，在建筑方面，有机玻璃主要应用于采光体、屋顶、棚顶、楼梯和室内墙壁护板等方面；在机械方面，有机玻璃除了在飞机上用作座舱盖、风挡和弦窗外，也用作吉普车的风挡和车窗、大型建筑的天窗(可以防破碎)、电视和雷达的屏幕、仪器和设备的防护罩、电讯仪表的外壳，因此，本发明共振腔结构中采用有机玻璃，有利于共振腔结构的广泛应用。
优选地，所述的有机玻璃底板为厚度5mm、直径100mm的圆形底板，所述的有机玻璃侧壁为竖直设置在有机玻璃底板上的厚度5mm、外径100mm的圆环形侧壁，所述的软质聚氨酯泡沫呈直径90mm的圆板形结构，固定在有机玻璃侧壁内侧。
优选地，所述的软质聚氨酯泡沫通过添加有固化剂的环氧树脂粘合在有机玻璃侧壁上。环氧树脂和固化剂的体积比为5:1。
优选地，所述的软质聚氨酯泡沫与有机玻璃底板之间留有空气腔。空气腔的高度范围为0～20mm，优选为10mm。当声波的频率与共振吸声结构的自振频率一致时，发生共振，声波激发共振吸声结构产生振动，并使振幅达到最大，从而消耗声能，达到吸声的目的。
本发明软质聚氨酯泡沫及其构成的共振腔结构可应用于消声器、变电站除噪等领域。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明软质聚氨酯泡沫及其构成的共振腔结构制备工艺简单，安全高效，吸声除噪效果较优；
2.本发明采用Al2O3悬浮液直接浸泡成形的软质PU泡沫，而不是在制备泡沫的过程中加悬浮液，此方法易操作且简便，所测得Al2O3-PU泡沫的低频吸声系数(α)较无添加时的PU泡沫高；
3.本发明将制备合成的Al2O3-PU泡沫与有机玻璃粘合，组成共振腔的结构，能够进一步改善吸声性能；
4.本发明在软质聚氨酯泡沫骨架上负载Al2O3纳米粒子，Al2O3纳米粒子成本低，且易于附着，可使总体比表面积增加，纳米粒子间细微的孔隙及超微粒子之间激烈运动增大，增加了内摩擦力和黏滞阻力而使得声能衰减，提高了软质聚氨酯泡沫的吸声除噪效果；
5.本发明共振腔结构设有空气腔，可通过吸收环境中的声音而使得一个封闭空腔中的空气产生振动，有助于吸声。
附图说明
图1为本发明所制备的PU泡沫和Al2O3-PU泡沫的SEM图，图(a)、(c)分别为20倍放大倍数下的PU泡沫和Al2O3-PU泡沫的微观结构图，图(b)、(d)分别为5000倍放大倍数下的PU泡沫和Al2O3-PU泡沫的微观结构图；
图2为本发明所制备的PU泡沫和Al2O3-PU泡沫的吸声系数(α)曲线图，图中横坐标为频率，纵坐标为吸声系数；
图3为本发明所制备的XRD图谱，图中横坐标为衍射角度，纵坐标为相对强度本发明所制备的Al2O3-PU泡沫的XRD图谱，图中横坐标为衍射角度，纵坐标为相对强度；
图4为本发明所制备的Al2O3-PU泡沫、有机玻璃的共振腔结构实物图，左图的空气腔为0mm，右图的空气腔为10mm，实验时声源从泡沫一面进入；
图5为本发明所制备的Al2O3-PU泡沫、有机玻璃的共振腔结构吸声系数曲线图，曲线1为空气腔为0mm时的吸声曲线，曲线2为空气腔为10mm时的吸声曲线，图中横坐标为频率，纵坐标为吸声系数；
图6为本发明中Al2O3-PU泡沫在消声器中的工程应用声压级模拟云图(以8000Hz为例)，图中：1--消声器内部为空气时的声压级模拟云图，2--消声器内部最中间一段添加Al2O3-PU泡沫各个参数时的声压级模拟云图，图中消声器所选用的尺寸：
Figure BDA0003024196400000043
L1＝30mm，
Figure BDA0003024196400000042
L2＝170mm，
Figure BDA0003024196400000041
，L3＝30mm；
图7为本发明中Al2O3-PU泡沫在消声器中的工程应用声传递损失图，图中横坐标为频率，纵坐标为传递损失；
图8为对比例1被测试件的吸声系数曲线图；
图9为对比例2所制备的PU泡沫和Cu2O-PU泡沫的吸声系数(α)曲线图，图中横坐标为频率，纵坐标为吸声系数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
将处理好的PU泡沫放入培养皿内，用300nm粒径的Al2O3悬浮液对其进行浸泡培养，使悬浮液没过泡沫表面，浸泡大约1h，用镊子夹出泡沫，放入另一个培养皿，以80℃的温度烘至全干，之后在室温下放置一段时间用于冷却，得到Al2O3-PU泡沫。采用4206型号阻抗管，阻抗管测量材料吸声性能的原理是基于传递函数法。其原理是将宽带稳态随机信号分解成入射波pi和反射波pr，pi和pr大小由安装在管上的两个传声器测得的声压决定，计算得到泡沫材料的吸声系数(垂直入射吸声系数)。
图1为本发明实施例1制备的PU泡沫和Al2O3-PU泡沫的SEM图。由图可知，泡沫的结构可近似为一个又一个正十四面体(6个正四边型和8个正六边型)的连接而构成；图1(d)表明：在5000倍放大倍数下，泡沫的骨架上较好地附着了氧化铝纳米粒子。图2显示了实施例1的吸声系数(α)，横坐标为频率，纵坐标为吸声系数，由图可知，在低频范围内(0-1250hz)，PU泡沫和Al2O3-PU泡沫材料的吸声系数随频率的增加而总体呈上升趋势，但0-250hz之间吸声性能不稳定，吸声系数α出现上下浮动的趋势，之后α才趋于上升。有Al2O3纳米粒子填充的PU复合材料比纯PU泡沫材料性能好，α有随着频率增加相差越来越大的趋势，在1250hz时，两者能相差约11％。图3显示了实施例1的XRD图谱，横坐标为衍射角度，纵坐标为相对强度，此图证明了Al2O3的存在，强度峰对应地较好。
图6为本发明实施例1在消声器中的工程应用声压级模拟云图(以8000Hz为例)，在消声器内部最中间一段添加Al2O3-PU泡沫各个参数，分析计算，与无添加时形成一个对比。图7就可看成是对比的一个结果，横坐标为频率，纵坐标为传递损失，可见在低频范围内，添加Al2O3-PU泡沫后传递损失变大了很多，消声性能增强。因为传递损失是消声器声学性能的一个重要特征参数，通常情况下，在某个频段下的传递损失值越高，这个消声器在这个频段的消声性能越强。
实施例2
实施例2的制备方法是在实施例1的基础上实行的，测试方法如实施例1所述。将制备的Al2O3-PU泡沫与有机玻璃粘合，组成共振腔的结构，选用不同高度的空气腔。所述的Al2O3-PU泡沫与有机玻璃粘合剂为环氧树脂和固化剂，配置体积比例为环氧树脂：固化剂＝5:1。有机玻璃结构是一个厚度5mm、直径100mm的圆形底板和厚度5mm、外径100mm的玻璃壁，将Al2O3-PU泡沫切割至直径为90mm，放入此结构中。选择的空气腔高度分别为0mm和10mm，Al2O3-PU泡沫厚度为20mm，玻璃壁高度对应为20mm和30mm。
图4为本发明实施例2制备的共振腔结构实物图。左图的空气腔为0mm，右图的空气腔为10mm，实验时声源从泡沫一面进入。图5为本发明实施例2的吸声系数曲线图，横坐标为频率，纵坐标为吸声系数，由图可知，在超低频范围内(0-250Hz)，两个共振腔结构的α都较单独的Al2O3-PU泡沫有了一个较大的提升，最高可到达35％。图5的曲线2为空气腔高度10mm时的吸声系数曲线，在1125Hz时，吸声系数无限接近1，吸声效果很好。这说明，底部留出合适的空气腔高度可以大幅度提高吸声效果。
对比例1
孙丰山于2019年在“多孔材料吸声计算的等效模型研究与性能测试”一文中，利用直径为100mm的圆形铝板和直径为100mm的有机玻璃(亚克力板)为材料，将穿孔铝板和穿孔有机玻璃(亚克力板)组合，使得铝板上的孔对应亚克力板上的孔。采用铝板的厚度为1mm，在表面均匀地钻直径为1mm的圆孔；亚克力板的厚度为6mm，在表面均匀地钻直径为10mm的圆孔，将铝板和亚克力板组合成被测试件。吸声系数曲线如图8所示。对比例1的实验方法和实施例2比较，对比例1的1000Hz时的吸声系数远小于图5的曲线2，曲线2在1125Hz时吸声系数无限接近1，而对比例1在1125Hz时吸声系数远远小于1。综上所述，实施例2实验得出的结果优于对比例1。
对比例2
选用0.4g乙酸铜、0.8g无水葡萄糖、100ml乙二醇，在100℃的水浴中加热1h，制备得到氧化亚铜纳米粒子，氧化亚铜复合软聚氨酯泡沫(Cu2O-PU泡沫)的制备方法和所述的实施例1步骤一致。
对比例2实验测得吸声系数的结果相较于实施例1的结果要差。图9为对比例2制备的Cu2O-PU泡沫和PU泡沫的吸声系数曲线图，由图可知，Cu2O-PU泡沫并不能达到一个较好的吸声效果，其吸声系数与PU泡沫的吸声系数差别不大。对比图2可知，使用氧化亚铜纳米粒子填充没有氧化铝纳米粒子填充的效果好。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种共振腔结构，其特征在于，所述的共振腔结构由软质聚氨酯泡沫构成，所述的软质聚氨酯泡沫的骨架上附着有氧化铝纳米粒子，所述的氧化铝纳米粒子的附着方法包括将洁净的软质聚氨酯泡沫置于Al2O3悬浮液中浸泡培养；所述的共振腔结构包括有机玻璃底板、环形设置在有机玻璃底板上的有机玻璃侧壁以及固定在有机玻璃侧壁上软质聚氨酯泡沫；所述的软质聚氨酯泡沫与有机玻璃底板之间留有空气腔；
所述的有机玻璃底板为厚度5mm、直径100mm的圆形底板，所述的有机玻璃侧壁为竖直设置在有机玻璃底板上的厚度5mm、外径100mm的圆环形侧壁，所述的软质聚氨酯泡沫呈直径90mm的圆板形结构，固定在有机玻璃侧壁内侧。
2.根据权利要求1所述的共振腔结构，其特征在于，所述的软质聚氨酯泡沫通过添加有固化剂的环氧树脂粘合在有机玻璃侧壁上。
3.根据权利要求1所述的共振腔结构，其特征在于，所述的氧化铝纳米粒子的附着方法具体包括以下步骤：
（1）在超声波清洗仪中加入酒精和水，放入软质聚氨酯泡沫清洗，随后将软质聚氨酯泡沫烘至全干；
（2）用Al2O3悬浮液对烘干的软质聚氨酯泡沫进行浸泡培养，使悬浮液没过泡沫表面，浸泡完成后取出烘至全干，之后在室温下冷却，得到泡沫的骨架上附着有氧化铝纳米粒子软质聚氨酯泡沫。
4.根据权利要求3所述的共振腔结构，其特征在于，步骤（1）所述的酒精和水的比例为1:2~4，清洗时间为10~15min；步骤（2）所述的浸泡培养时间为40~80min。
5.根据权利要求1所述的共振腔结构，其特征在于，所述的氧化铝纳米粒子的粒度为200~300nm。
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