带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料及其制备方法。该吸声材料包括聚氨酯基体和分散于聚氨酯基体内的高分子螺旋弹簧纤维，聚氨酯基体为聚四氢呋喃二醇+端羟基聚丁二烯型聚氨酯基体，高分子螺旋弹簧纤维为具有螺旋弹簧结构的加捻聚酰胺纤维。制备方法包括将液态TMP和MDI反应制成A组分，将PTMG和HTPB混合制成B组分，将螺旋弹簧纤维添加到B组分中超声混合，所得混合物再加入A组分中搅拌并固化，得到吸声材料。本发明专利技术的吸声材料能显著提高材料在2000‑5000Hz频率范围内的吸声系数，且力学性能好，在声隐身技术领域具有极高的学术和应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料及其制备方法
本专利技术属于声学功能高分子材料领域，具体涉及一种带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料及其制备方法。
技术介绍
聚氨酯材料是一种产品形态多种多样的多用途合成树脂，自专利技术以来，因其化学结构易设计与调整、优越的力学性能、抗腐蚀性能和耐老化等性能，被广泛应用于各个领域，在声隐身材料研究领域的应用是一个热点研究方向。聚氨酯橡胶由于其大分子链运动形式繁多，松弛时间谱宽，能够较好的吸收宽频带的声波；通过选取不同的聚氨酯基体以及添加不同填料的种类和比例，能够有效地控制其声学特征和其它性能；而且它的声阻抗特性与水的声阻抗特性接近，使声波能无反射的进入到吸声材料，并且入射声波的能量绝大部分能够被吸收，在水声隐身材料领域中有着重要的应用。但随着探测技术的发展，声隐身技术提出了越来越高的要求。目前，提高200-6000Hz中低频率范围内基体材料的本征吸声性能是当前吸声材料领域面临并急待解决的技术难题和研究热点之一。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可显著提高材料中低频范围内材料的本征吸声系数、且力学性能优异的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料，所述吸声材料包括聚氨酯基体和分散于聚氨酯基体内的高分子螺旋弹簧纤维，所述聚氨酯基体为聚四氢呋喃二醇+端羟基聚丁二烯型聚氨酯基体，所述高分子螺旋弹簧纤维为具有螺旋弹簧结构的加捻聚酰胺纤维。上述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料中，优选的，所述高分子螺旋弹簧纤维的长度为2mm～3mm，所述高分子螺旋弹簧纤维的质量占吸声材料总质量的0.5％～2％。上述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料中，优选的，所述带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料在2000Hz～5000Hz频率范围内平均吸声系数为72.56％～79.4％。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料的制备方法，包括以下步骤：(1)A组分的制备：称取三羟甲基丙烷TMP固态颗粒和4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯MDI，将TMP固态颗粒融化成液态TMP，然后将液态TMP和MDI进行抽真空处理，再将液态TMP加入MDI中，于60℃～65℃的恒温条件下搅拌反应，直至液态TMP全部融入MDI中，经冷却后，得到A组分；(2)B组分的制备：称取聚四氢呋喃二醇PTMG和端羟基聚丁二烯HTPB，进行抽真空处理，然后将PTMG和HTPB混合并搅拌均匀，得到B组分；(3)复合与固化：将高分子螺旋弹簧纤维添加到B组分中，超声混合均匀后，将所得混合物加入A组分中，超声混合均匀，然后抽真空处理，再进行固化，得到带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料。上述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述TMP固态颗粒与MDI的质量比为18～600∶100；所述步骤(2)中，所述聚四氢呋喃二醇与端羟基聚丁二烯的质量比为385∶200；所述步骤(3)中，所述高分子螺旋弹簧纤维与B组分的质量比为3.5～14∶585。上述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述步骤(1)中，所述抽真空处理的条件为：真空表读数为-0.08MPa～-0.1MPa，温度为50℃～55℃，时间为1h～2h；和/或，所述步骤(2)中，所述抽真空处理的条件为：真空表读数为-0.08MPa～-0.1MPa，温度为50℃～55℃，时间为1h～2h；和/或，所述步骤(3)中，所述抽真空处理的条件为：真空表读数为-0.08MPa～-0.1MPa，温度为50℃～55℃，时间为0.5h～2h。上述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述融化的温度为60℃～65℃，所述搅拌反应的时间为2min～3min。上述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料的制备方法中，优选的，所述步骤(3)中，所述固化为室温固化，固化时间为24h～48h，或者，所述固化的温度为50℃～55℃，固化时间为4h～5h。上述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料的制备方法中，优选的，所述高分子螺旋弹簧纤维为具有螺旋弹簧结构的加捻聚酰胺纤维。上述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料的制备方法中，优选的，所述高分子螺旋弹簧纤维在添加到B组分之前，先剪切至长度为2mm～3mm。本专利技术中，MDI为4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、TMP为三羟甲基丙烷、HTPB为端羟基聚丁二烯、PTMG为聚四氢呋喃二醇。本专利技术选择化学结构具有能形成氢键的极性官能团以及宏观结构具有螺旋弹簧结构的加捻聚酰胺高分子纤维作为功能填料，将其剪切成一定长度，在一定条件下均匀地分散到PTMG+HTPB型聚氨酯基体中，经固化成型后，两者之间通过分子间作用力复合在一起，形成带有高分子螺旋弹簧纤维的吸声材料。本专利技术的带有加捻纤维弹簧结构的聚氨酯基吸声材料应该作为一个完整的结构概念来看待，橡胶基体和加捻纤维不可分割地构成一个材料整体，二者之间依靠分子间作用力、特别是氢键结合。根据实际需要，这种加捻纤维可以采用均混、分层或其它方式添加。以下举例说明本专利技术涉及的主要反应式，但并不限于此：预聚反应：用MDI和TMP进行预聚得A组分，反应式为式(1)所示。固化反应：HTPB+PTMG型聚氨酯的涉及的主要固化反应示意如式(2)所示。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术以MDI、TMP、HTPB、PTMG等化学试剂为主要原料，通过引入能形成氢键的极性官能团以及宏观结构具有螺旋结构的高分子纤维作为功能填料，设计并制备了一种全新的带高分子螺旋弹簧纤维(结构)的聚氨酯基吸声材料，为声隐身技术提供了一种重要的吸声材料结构，具有极高的学术和应用潜力。这种新颖的吸声材料由弹性体和加捻纤维依靠分子间作用力结合形成的一个共同体，材料及其结构应该作为一个整体来看待。2、本专利技术所采用的PTMG+HTPB聚氨酯的化学结构具有能形成氢键的极性官能团，本专利技术所选用的加捻高分子纤维的宏观结构具有典型的螺旋结构。将一定长度的纤维在一定条件下均匀地分散到PTMG+HTPB型聚氨酯基体中，经固化成型后，形成一种具有螺旋弹簧结构的聚氨酯复合材料，添加(优选1％)的这种具有典型螺旋弹簧结构的高分子纤维能够显著提高2000-5000Hz频率范围内的吸声性能。本专利技术的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料在2000Hz～5000Hz频率范围内平均吸声系数为79.4％，比纯基体提高了32.1％，具有非常显著的进步。并且，如图4所示，在2000Hz以下的频率范围，这种吸声性能的提高有保持增加的趋势。开发这种复合材料能够在声隐身材料领域为人们提供更新颖的吸声材料结构模型，在声隐身、复合材料、功能高分子等科学领域均具有重要意义。3、本专利技术的制备方法以实验室内常用的DZF6050型超真空干燥箱、CQ250超声波清洗器、DF-101B恒温加热磁力搅拌器等小型实验设备和一般的制备装置，通过预聚、超声和搅拌混合、以及常温或不到100℃较低固化温度固化，工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料，其特征在于，所述吸声材料包括聚氨酯基体和分散于聚氨酯基体内的高分子螺旋弹簧纤维，所述聚氨酯基体为聚四氢呋喃二醇+端羟基聚丁二烯型聚氨酯基体，所述高分子螺旋弹簧纤维为具有螺旋弹簧结构的加捻聚酰胺纤维。

【技术特征摘要】
1.一种带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料，其特征在于，所述吸声材料包括聚氨酯基体和分散于聚氨酯基体内的高分子螺旋弹簧纤维，所述聚氨酯基体为聚四氢呋喃二醇+端羟基聚丁二烯型聚氨酯基体，所述高分子螺旋弹簧纤维为具有螺旋弹簧结构的加捻聚酰胺纤维。2.根据权利要求1所述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料，其特征在于，所述高分子螺旋弹簧纤维的长度为2mm～3mm，所述高分子螺旋弹簧纤维的质量占吸声材料总质量的0.5％～2％。3.根据权利要求1或2所述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料，其特征在于，所述带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料在2000Hz～5000Hz频率范围内平均吸声系数为72.56％～79.4％。4.一种带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料的制备方法，包括以下步骤：(1)A组分的制备：称取三羟甲基丙烷TMP固态颗粒和4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯MDI，将TMP固态颗粒融化成液态TMP，然后将液态TMP和MDI进行抽真空处理，再将液态TMP加入MDI中，于60℃～65℃的恒温条件下搅拌反应，直至液态TMP全部融入MDI中，经冷却后，得到A组分；(2)B组分的制备：称取聚四氢呋喃二醇PTMG和端羟基聚丁二烯HTPB，进行抽真空处理，然后将PTMG和HTPB混合并搅拌均匀，得到B组分；(3)复合与固化：将高分子螺旋弹簧纤维添加到B组分中，超声混合均匀后，将所得混合物加入A组分中，超声混合均匀，然后抽真空处理，再进行固化，得到带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料。5.根据权利要求4所述的带有高分子螺旋弹簧纤维的聚氨酯基吸声材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述TMP固态...

【专利技术属性】
技术研发人员：王清华，楚增勇，李义和，王璟，胡天娇，李公义，李效东，王楠，王勇智，刘苏演，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43