無機吸聲材料的制備及性能研究

林 鵬 曹先啟 凌宇辰 王湘淇 劉務博

（1.黑龍江工程學院材料與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱150050；2.黑龍江省科學院石油化學研究院，黑龍江 哈爾濱150040）

0 引言

無機多孔吸聲材料以其優(yōu)異的性能，低廉的價格，成了吸聲材料發(fā)展的重要方向。隨著我國在經(jīng)濟、科技、人文、社會等方面的全面發(fā)展，以及人們對生活品質(zhì)要求的提升，由于噪聲引起的問題變得愈發(fā)嚴重。對于傳統(tǒng)的機械噪聲、電磁性噪聲等來說，城市噪聲是與我們生活息息相關(guān)的。城市噪聲主要包括工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的噪聲、城市基礎設施建設產(chǎn)生噪聲、各類交通運輸工具運行時出現(xiàn)的噪聲和社會生活中各個方面出現(xiàn)的噪聲，伴隨著物質(zhì)精神文明建設及人們對幸福生活的向往進一步提升，對于噪聲污染的治理也表現(xiàn)的愈發(fā)迫切[1]。目前，在控制噪聲的基本途徑中，吸聲是最簡單便捷的方法，其應用范圍也是最廣泛的，吸聲實現(xiàn)的最根本手段是應用吸聲材料來控制聲場環(huán)境質(zhì)量。

吸聲材料按照其基本結(jié)構(gòu)的不同可分為特殊結(jié)構(gòu)、共振、多孔等三種類型[2]。目前多孔吸聲材料應用最為廣泛。與其他類型的隔聲吸聲材料相比，無機多孔吸聲材料價格低廉，便于大規(guī)模的應用，同時還具有其他吸聲材料無法比擬的優(yōu)良性能。首先，無機材料耐高溫，熱穩(wěn)定性好，受熱時性能穩(wěn)定，一般不會釋放有毒的小分子物質(zhì)；其次，無機材料可制成不需附著于其他材料之上的獨立的吸聲板材；再次，表面活性大，便于在其表面進一步進行施工，如噴涂等操作；最后，材料可以回收再利用，有利于節(jié)約自然資源及保護環(huán)境。本文以硅酸鹽體系作為基體材料，以粉煤灰空心球作為填料，用模壓成型方法制備一種成本低，性能優(yōu)異的無機多孔吸聲材料，對吸聲性能的影響因素進行了研究，為無機吸聲材料的發(fā)展及應用提供了一定的理論基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

改性硅酸鉀：自制

納米氧化鋁：卓然環(huán)保科技（大連）有限公司

粉煤灰微球：哈爾濱熱電廠工業(yè)廢料

微米氧化鉻：阿拉丁

微米碳化硅，納米氧化鎂：天津市雙船化學試劑廠

1.2 實驗步驟

本實驗使用粉末狀的固化劑與液態(tài)的硅酸鹽樹脂充分混合制得所需的基體膠黏劑，然后將一定量的粉煤灰微球與基體膠黏劑混合均勻，用模具在一定壓力下壓制成型，制得無機吸聲材料。

1.3 儀器與分析表征

硅酸鹽體系剪切強度應用萬能試驗機（長春科新試驗儀器有限公司W(wǎng)DW-1型），使用黏結(jié)金屬鋁片法進行測試；硅酸鹽體系的熱失重曲線應用熱重分析儀（TA公司Q700型）測試；根據(jù)GBJ88—85《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范》的要求測試材料的吸聲性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化劑對硅酸鹽體系剪切強度影響

圖1為固化劑用量與硅酸鹽樹脂質(zhì)量比分別為0.2∶1.0、0.4∶1.0、0.6∶1.0、0.8∶1.0、1.0∶1.0的體系固化后的剪切強度值，從圖中可以清晰地看出，固化后硅酸鹽體系的剪切強度值隨著固化劑用量的增加，呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢，剪切強度在固化劑用量與硅酸鹽樹脂質(zhì)量比為0.8∶1.0的體系時達到最大，為2.68 MPa，表明體系的固化效果在這一比例下達到最佳，而隨著固化劑用量繼續(xù)增大，剪切強度反而略有下降，說明過多的固化劑反而影響了體系的固化效果。因此，選擇固化劑用量與硅酸鹽樹脂質(zhì)量比為0.8∶1.0是體系來制備無機吸聲材料。

圖1 不同固化劑用量硅酸鹽的剪切強度

2.2 硅酸鹽體系熱穩(wěn)定性分析

硅酸鹽基體材料的熱穩(wěn)定性對于制備的無機吸聲材料的使用壽命和使用過程中的尺寸穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。圖2的熱失重曲線為固化劑用量與硅酸鹽樹脂質(zhì)量比為0.8：1.0體系固化后得到的。從圖中可以看出，固化后硅酸鹽體系在230℃以前的失重較緩慢，這很可能是體系中殘存的或吸附的少量水引起的；一個明顯的失重過程在230℃開始發(fā)生，到700℃時停止，這是由于體系中存在的不穩(wěn)定的小分子物質(zhì)脫去造成的；在高于700℃后體系的失重率沒有任何變化。縱觀整個失重過程，其減少的質(zhì)量僅占總質(zhì)量的0.045%，這說明硅酸鹽體系在加熱到1 000℃的過程中，體系的總質(zhì)量變化很小，具有很好的熱穩(wěn)定性[3]，是用作無機吸聲材料基體材料的很好的選擇。

圖2 固化后硅酸鹽體系的熱失重曲線

2.3 吸聲性能與材料厚度的關(guān)系

圖3為用固化劑與硅酸鹽樹脂質(zhì)量比為0.8:1.0體系中加入粉煤灰空心球制得的不同厚度吸聲材料的吸聲性能對比圖。從圖中可以看出，增加吸聲材料的厚度，其在各個聲波頻率的吸聲性能均為增大的趨勢。厚度為1.0 cm時，其吸聲系數(shù)最大值為0.63，而增加厚度到3.0 cm，吸聲系數(shù)最大值也隨之增大到0.84。這表明吸聲材料的吸聲性能隨著其厚度的增加而變大，但增大的厚度會增加原料的成本，占用空間的變大及裝配難度的加大，因此吸聲材料的厚度需要結(jié)合實際應用條件綜合考慮。

圖3 不同厚度材料的吸聲性能

2.4 填料粒徑對吸聲性能的影響

粉煤灰空心球是一種工業(yè)生產(chǎn)的廢料，產(chǎn)量巨大且成本低廉，其具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、力學性能和流動性。另外，作為一種中空材料，其還具有優(yōu)異的阻尼和吸能性能及電磁屏蔽性能，因此，本課題選用粉煤灰空心球作為填料制備吸聲材料。

分別選用40目、200目和兩者各占50%的粉煤灰空心球作為填料，制備出具有固定厚度的吸聲材料，圖4為三種吸聲材料吸聲性能的檢測結(jié)果，從圖中可以看出，使用40目粉煤灰空心球填料的吸聲材料在各個聲波頻率的吸聲性能均為最低，其最大吸聲系數(shù)為0.69，而使用混合粒徑粉煤灰空心球的吸聲材料在各個聲波頻率的吸聲性能為最優(yōu)，最大吸聲系數(shù)可達0.82，使用200目的吸聲性能居中，最大吸聲系數(shù)為0.74。造成這樣的結(jié)果是由于使用粒徑大的粉煤灰空心球填料的吸聲材料的填料數(shù)量在單位體積內(nèi)為三者中最少的，填料間形成的微孔隙也就最少，孔隙率低。而使用混合粒徑填料的吸聲材料與之正相反，形成了最多的微孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率大；使用小粒徑填料的吸聲材料這種情況居中。而根據(jù)多孔材料吸聲的原理：由于的空氣黏滯性，由聲波引起的微小孔洞內(nèi)空氣的振動在與微孔的不斷碰撞過程中將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，熱交換在空氣與微孔壁之間不斷發(fā)生，使聲波的部分能量被吸收掉而削弱[4]。因此，使用混合粒徑填料的吸聲材料由于具有最多的微孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率大，吸聲性能也最佳。

圖4 添加不同粒徑填料的材料的吸聲性能

2.5 表面涂層對吸聲性能的影響

無機吸聲材料在實際應用的過程中，由于防護、裝飾或其他因素的需要，有時要在其表面涂布涂層，下面研究表面有無涂層時吸聲材料的吸聲性能，結(jié)果如圖5所示。

圖5 表面有無涂層的材料的吸聲性能

從圖5中可知，未加涂層前吸聲材料的吸聲性能較好，在多數(shù)聲波頻段下的吸聲系數(shù)均在0.5以上，最高可達0.74，而表面涂布上具有隔音效果的涂層后，其吸聲系數(shù)最大值僅有0.33，吸聲系數(shù)下降到0.24與0.33之間，因此，表面涂布上具有隔音效果涂層的吸聲材料吸聲性能降低較多，隔音涂層的存在使吸聲材料的吸聲性能基本消失。因此，吸聲材料表面涂層要謹慎選擇及應用。

3 結(jié)語

（1）固化劑與硅酸鹽樹脂質(zhì)量比為0.8：1.0的硅酸鹽體系剪切強度最大，為2.68 MPa。硅酸鹽體系的失重率僅為0.045%（1 000℃），熱穩(wěn)定性好。

（2）吸聲材料的吸聲性能隨著其厚度的增加而變大，填料粒徑對吸聲性能產(chǎn)生直接的影響。

（3）隔音涂層的存在會使吸聲材料的吸聲性能基本消失。