陳瑤 程健松 陶玉春 羅馬奇

（第七一五研究所，杭州，310023）

澆注型聚氨酯是水聲換能器封裝中廣泛應用的材料，其密度、聲速和特征阻抗與水匹配良好。隨著換能器技術(shù)水平的發(fā)展，靈敏度更高的換能器對輻射面包覆層材料的聲學性能提出了更高的要求[1]。此外，對于長期工作在寒冷水域的換能器，輻射面封裝材料應當避免低溫引起的硬化從而導致聲學性能的變化[2]。聲速的測量方法較為復雜，尤其是難以在原位測量。目前國內(nèi)現(xiàn)有的報道主要關(guān)注聚氨酯化學結(jié)構(gòu)和力學性能的關(guān)系[3～6]，對于聲速的影響研究較少。國外則有少量研究成果見于報道。Stack等人認為，增加軟段的相對含量可以明顯降低聲速，最簡易的方法是在硫化配方中采用高分子量的聚醚多元醇[7]。Thompson則認為，要使商品級聚氨酯的聲速能夠降低至海水匹配，采用的主要辦法是調(diào)制結(jié)構(gòu)，單純降低剪切性能（如硬度）是錯誤的[8]。一些研究人員認為，高分子材料的粘彈性是造成衰減的原因，應當將體積松弛和剪切流及其分別對應的高分子運動行為區(qū)分開來[9]。

在 JA-2S 聚氨酯經(jīng)典的 3，3’-二氯-4，4’-二氨基二苯基甲烷（MOCA）固化體系中引入長鏈固化劑，為驗證邵氏硬度與JA-2S聲學性能的相關(guān)性，本文設計組合固化劑調(diào)節(jié)JA-2S聚氨酯聲學性能，同時測定了試樣的拉伸強度、斷裂伸長率和邵氏硬度等指標。

1 實驗部分

1.1 原料與合成

聚氨酯預聚體：JA-2S聚氨酯（異氰酸根含量5.7%，山西化工研究院）；固化劑：MOCA（江蘇湘園，I型）；長鏈擴鏈劑：聚四氫呋喃醚二醇PTMG650，PTMG1000，PTMG2000（日本三菱）。

聚氨酯試樣制備過程：先將聚氨酯預聚體與一定量的長鏈固化劑混合，70℃反應3 h以上，真空脫泡，然后按照預聚體，固化劑重量比100：15加入融化為液體的MOCA，攪拌均勻后真空脫泡，完成灌注后，放入55℃烘箱中固化24 h，接著升溫至70℃固化24 h，自然冷卻。室溫放置兩周后測試。

1.2 測量方法

1.2.1 測量儀器

CTS-35A非金屬超聲波探傷儀，汕頭超聲儀器研究所；密度天平XPE-200，Mettler-Toledo；萬能材料測試機TY8000，江蘇天源；邵氏硬度計XY-1型。

1.2.2 測試方法

縱波聲速參考JB/T 9219-1999[10]采用穿透法測定，測試頻率為50 kHz。首先測定圓柱形試樣高度l，然后在圓柱形試樣上下底面涂抹超聲耦合液，接著將兩個探頭分別置于上下底面，并使探頭的軸線基本重合，測定聲波到達的時間t，最后根據(jù)v=l/t×103求得聲速。

密度的測試采用排水法，在 Mettler-Toledo密度天平XPE-200上完成。拉伸強度和斷裂伸長率依據(jù)GB/T 528-2008[11]測定，選取國標中規(guī)定的A型啞鈴形試樣，在萬能材料測試機上完成。硬度依據(jù)GB/T 531.1-2008[12]中的A型測定。測試實驗室的環(huán)境溫度23℃，相對濕度70%以下。

2 結(jié)果與討論

2.1 擴鏈劑用量對聲學性能的影響

不同擴鏈劑用量聚氨酯的聲速測試結(jié)果如圖1所示。從測試數(shù)據(jù)可以看出，隨著長鏈固化劑投料量增加，試樣的縱波聲速下降。原因可能是長鏈擴鏈劑的擴鏈反應降低了交聯(lián)密度，增加了交聯(lián)點之間的分子量，進而使聲速下降。隨著擴鏈劑分子量的升高，相同擴鏈劑用量下的聚氨酯聲速相應降低，這也進一步印證了交聯(lián)點間分子量越大，聲速越低。

圖1中P-2000的用量為0.07 mol時，材料的縱波聲速高于P-1000在相同用量下的值，可能是由于分子鏈更長的P-2000發(fā)生了團聚，導致部分P-2000僅僅作為封端試劑，未能進入交聯(lián)點之間。

圖1 擴鏈劑用量對聲速的影響

采用Mettler-Toledo XPE-200密度天平測定密度，所有試樣的密度都在1.05～1.10 g/cm3之間，結(jié)合聲速測量的結(jié)果，這些材料的特征阻抗都與海水接近。

2.2 擴鏈劑用量對邵氏硬度的影響

擴鏈劑用量對邵氏硬度的影響如圖2所示。可以看出隨著擴鏈劑用量的增加，材料的邵氏硬度下降，但是在添加量小于0.21 mol時，邵氏硬度的下降并不明顯，這也在一定范圍內(nèi)支持了 Thompson等人的觀點。

圖2 擴鏈劑用量對邵氏硬度的影響

2.3 擴鏈劑用量對機械性能的影響

添加長鏈擴鏈劑試樣的拉伸強度急劇下降，尤其是P-2000的試樣下降得更快，表明在低添加量范圍內(nèi)，試樣的拉伸強度對添加量更敏感；當添加量大于0.21 mol時，三種長鏈擴鏈劑試樣的拉伸強度已經(jīng)接近。

聚氨酯是一種軟硬段分相的材料，其拉伸強度不但受交聯(lián)點間分子量的影響，而且可能也受到軟/硬段相對含量的影響，硬段起到了增強的作用。MOCA的分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)，且在反應過程中與同樣含有苯環(huán)的 TDI單元結(jié)合，形成硬段，當MOCA的相對用量下降后，就降低了材料中硬段的含量，這可能是導致材料拉伸強度下降的原因。

圖3 擴鏈劑用量對拉伸強度的影響

3 結(jié)論

聚氨酯是一種由軟段和硬段組成的材料，兩者之間的比例可能對材料的性能產(chǎn)生影響，Thompson等人認為聲學性能與軟段有關(guān)的觀點在本文中得到驗證[8]。這對更好地控制材料聲學性能提供了思路。

進一步的工作考慮引入化學檢測手段確定長鏈擴鏈劑在材料中的歸宿。此外，由于本文采用了與Thompson相同的TDI體系，因此對于本文的結(jié)論在其他異氰酸酯體系聚氨酯中的適用性也值得研究。