造孔剂对多孔陶瓷吸声性能的影响研究

    刘宇　刘俊荣　梁耀龙

    摘 要：噪声污染对人居环境的影响越来越明显，因此，减少噪声污染的意义重大。本文利用抛光废料作为原料重复利用，同粘土、石英及长石制备吸声陶瓷材料骨架，利用碳化硅、硅藻土和硅酸盐水泥的几种发泡造孔剂，研究它们在多孔骨架材料中的用量及对吸声性能的影响，同时，探讨了最佳制备工艺及烧成制度。本文利用干法混入硅酸盐水泥的方式，能够制备出吸声性能较好的吸声陶瓷材料，其平均吸声系数为0.4。

    关键词：多孔陶瓷；造孔剂；干混；吸声系数

    1 引言

    随着我国的工业技术水平的不断提高，在工业生产、工程建筑、交通运输方面有了很大的改善和提高。但工业化生产、机械运作带来的噪声污染也变得越来越明显，成为破坏人们正常工作和生活环境质量的一个难题 [1，2]。而在人口密集区、制造型工业区，噪声污染的程度越加严重，也是环保治理中一个尤为关注的热点问题。

    目前，解决这一难题的主要方法就是在人居空间内使用吸声材料，主要的方法就是采用具有吸声、隔音性能的材料被动式吸收噪声，从而减少噪声污染对人体的危害[3]。按照材料吸声原理主要可分为多孔吸声材料和共振吸声结构材料两大类[4]。多孔吸声材料主要通过材料结构中的大量细微连通孔隙，将传播入射到材料的声波能量一部分在材料表面反射消耗，另一部分透过材料内部向前传播并被转变成热能消耗掉。过程中通过热交换引起的热损失也进一步使声能衰减 [5-7]。共振吸声结构材料与多孔吸声材料吸声机理虽不同，但最终的目的均为将声能转化为热能[8-10]。

    同时，在我国的陶瓷生产中，抛光砖废料的量随着陶瓷产量增加而增多，有些堆积抛光砖废料的地方因未采用合适的利用和处理方法而导致废料堆积如山[11]，严重污染人类的生存环境。如能将抛光砖废料作为一种陶瓷生产原料循环使用，不仅减少了陶瓷生产原料成本，同时也能达到变废为宝，资源重复利用的目的[12-14]。

    本研究制备的陶瓷材料是属于多孔吸声材料，采用陶瓷抛光废料、碳化硅作为发泡造孔剂。同时，采用具有硅酸盐水泥和多孔功能的硅藻土作为通孔造孔剂，能制备一种平均吸声系数为0.4，最大吸声系数为0.87的高效吸声功能陶瓷材料。

    2 试验内容

    2.1 试验原料及设备

    （1） 试验原料

    本试验所用的原料有陶瓷抛光废料、硅藻土、原矿泥、高温砂、长石、碳化硅、三聚磷酸钠、普通硅酸盐水泥等。

    （2） 试验设备

    本试验所采用的设备有小型陶瓷球磨机、分样筛、陶瓷原料破碎机、200 kg球磨机、小型燃油喷雾塔、小型燃油干燥窑、框架液压机、马弗炉、辊道窑。

    2.2 制备工艺

    吸音陶瓷材料的制备工艺流程如图1所示。

    （1） 配料

    吸音材料的组成原料主要是普通陶瓷原料（高温砂、长石、粘土等）、硅藻土、工业用硅酸盐水泥、三聚磷酸钠、碳化硅、抛光砖废料，其各原料氧化物含量分析如表1所示。

    按比例称取各原料入球，料：水=1：0.5，密封球磨机投球口后，球磨2 h，然后将浆料进行过筛除铁。

    （2） 成形

    将浆料利用柱塞泵输送至喷雾塔进行喷雾干燥成粉，将粉料压制成不同尺寸规格及厚度陶瓷砖坯，成形过程应适当排气以防分层裂砖。

    （3） 烧成

    将干燥后的生坯砖放入辊道窑窑炉进行烧成，烧成制度按照研究需要进行设计。为防止烧成过程中裂砖，烧成过程不可升温过快，冷却阶段时间不能过短。

    3 实验结果与讨论

    3.1 抛光砖废料的研究

    本研究中我们以抛光砖废料及陶瓷原料制备的配方作为多孔吸声陶瓷的骨架材料，在这一基础上使用造孔剂提高材料孔隙率及降低孔壁厚度。而所用到的抛光砖废料主要氧化物含量如表1所示，其属于一种低温原料，试验时直接掺入陶瓷原配方中，会降低配方温度，使得样品在高温生相转变产生的熔融玻璃相过多，砖坯强度降低，从而导致烧成制品变形较大，冷却时易开裂。为提高配方温度，笔者进行配方设计，具体配方设计如表2所示。

    多孔陶瓷配方分别在1155～1170℃进行烧成试验，其结果显示，配方2在1155～1170℃有一个较宽的烧成区域，烧成产品内部孔洞分布均匀细小，密度在1.43 g/cm3、抗折强度为16 MPa，能够作为此研究中吸声骨架材料配方。此时，对配方2进行成分分析，其结果如表3所示。

    3.2 提升吸声性能的研究

    本文通过加入不同的造孔剂来研究陶瓷材料的吸声性能。其主要方法是在陶瓷骨架材料中分别添加硅酸盐水泥、碳化硅及硅藻土造孔剂，以及三者添加剂复合掺入到陶瓷骨架材料中进行烧成。其具体试验方法及结果如下。

    （1）硅酸盐水泥及碳化硅添加剂对空隙率及吸声性能的影响

    首先在陶瓷骨架材料配方中分别掺入硅酸盐水泥及碳化硅两种发泡剂，以研究其对材料的孔隙率及吸声性能的影响。烧成温度范围为1155～1170℃，发泡剂的选择及比例如表4所示。

    试验结果显示：

    （1） 单独掺入碳化硅气孔率较大，但主要以密闭气孔为主；

    （2） 单独掺入硅酸盐水泥有明显通孔细缝，但孔隙率低，制品发泡不明显；

    （3） 复合掺入硅酸盐水泥和碳化硅两者后的孔隙率增加，断面有明显连通气孔；

    （4） 考虑到水泥是一种水中固化的胶凝材料，笔者分别选用了两种方式对比研究：1） 直接同其他原料球磨；2） 球磨其他原料后加入水泥粉进行干混。并对1165 ℃下的烧成制品进行吸声系数检测，其结果如图2所示。

    试验结果显示：直接湿混4%球磨的材料吸声系数最大值在0.12，平均吸声系数0.07。而以干混方式掺入2%水泥到粉料中，在1165 ℃下进行烧成的效果较好，如图2 b）所示。烧成制品经驻波管法检测吸声系数结果为，在500～1000Hz频段有一较高吸声系数值为0.55，平均降噪系数为0.19。但此烧成制品的孔壁厚且孔径不均匀，孔径在0.1～7 mm不等，吸声性能值偏低。

    （2） 硅藻土添加剂对空隙率及吸声性能的影响

    为提高制品吸声性能，笔者选择了硅藻土来提高材料的通孔气孔率，掺入使用硅藻土进行烧成试验，同时，适当调整碳化硅及硅酸盐水泥的比例。烧成温度控制在1160℃左右，具体控制比例如表5所示。掺入2.5%水泥后烧成材料的吸声系数示意图如图3所示。

    试验结果显示：掺入硅藻土后，通孔气孔率明显增加，但掺入比例过多会导致材料生成的玻璃相含量过多而易裂。掺入25%硅藻土时，烧成制品气孔率可达到72.8%。利用驻波管法检测结果显示，平均吸声系数可达到0.40，当频率在1600 Hz时，吸声率达到最大值0.87。

    从图3我们看到，吸声材料在高频段的吸声性能较高，在大于1000 Hz的频段开始就已经有较高的吸声系数值，且随着频段增加而最佳，到2000 Hz有一最大值0.87。从而可以说明我们所生产的吸声材料可应用于产生1000～2000 Hz较高频率噪音污染区域，减少高频噪音对人体的损害。

    4 结论

    （1） 以抛光砖废料制备的吸声骨架材料，复合掺入碳化硅、硅藻土，以干混方式加入硅酸盐水泥制备的粉料能够烧结成吸声性能较好的多孔陶瓷材料。

    （2） 复合掺入造孔剂制备的多孔吸声陶瓷的最大吸声系数能达到0.87，平均吸声系数为0.4。此产品在大于1000 Hz后有较好的吸声性能，可作为隔音墙体材料应用于1000～2000Hz频段噪声污染比较明显的地区，辅以其他吸声材料能够更好地发挥隔音降噪的功能。

    参考文献

    [1] 周林成，李彦峰，门学虎，等. 糠醛系功能高分子材料的研究进展

    [J].功能材料，2005，4（36）：499-502.

    [2] 李海涛，朱锡，石勇，等.多孔性吸声材料的研究进展[J].材料科学

    与工程学报，2004，22（6）：934-938.

    [3] 高玲，尚福亮.吸声材料的研究与应用[J].化工时刊，2007，21（2）：

    63-69.

    [4] 张守梅，曾令可，黄其秀，等. 环保吸声材料的发展动态及展望

    [J].陶瓷学报，2002，（1）：56-61.

    [5] 税安泽，夏海斌，曾令可，等.利用抛光砖废料制备多孔保温建筑

    材料[J].硅酸盐通报，2008，27，（1）：191-195.

    [6] Jung K J， Caset A， Molinier J.Biomass， 1988， 16：63.

    [7] Jung K J， Caset A， Molinier J.Biomass， 1988， 16：89.

    [8] Boutin C，Royer Auriault J L.Int J Solids Structures，1998，35：

    4707-4737.

    [9] 金卓仁.一种新型中低频吸声材料的研制[J].噪声与振动控制，

    1993，6（3）：31-35.

    [10] 朱记磊，汤慧萍，葛渊，等. 多孔陶瓷材料的发展现状与展望[J].

    功能材料，2007，（38）：3723-3726.

    [11] 缪松兰，马光华，李清涛.建筑陶瓷抛光废渣制备轻质陶瓷材料

    的研究[J].陶瓷学报，2005（2）.

    [12] 董峰，郝洪顺，崔文亮.陶瓷工业固体废弃物的回收再利用[J].

    硅酸盐通报，2006（3）.

    [13] 蔡祖光.陶瓷工业废料废渣的处理[J].佛山陶瓷，2002（03）.

    [14] 侯来广，刘艳春，曾令可，等.陶瓷废料在功能性多孔陶瓷材料

    中的应用[J].陶瓷，2009（8）.

    （2） 硅藻土添加剂对空隙率及吸声性能的影响

    为提高制品吸声性能，笔者选择了硅藻土来提高材料的通孔气孔率，掺入使用硅藻土进行烧成试验，同时，适当调整碳化硅及硅酸盐水泥的比例。烧成温度控制在1160℃左右，具体控制比例如表5所示。掺入2.5%水泥后烧成材料的吸声系数示意图如图3所示。

    试验结果显示：掺入硅藻土后，通孔气孔率明显增加，但掺入比例过多会导致材料生成的玻璃相含量过多而易裂。掺入25%硅藻土时，烧成制品气孔率可达到72.8%。利用驻波管法检测结果显示，平均吸声系数可达到0.40，当频率在1600 Hz时，吸声率达到最大值0.87。

    从图3我们看到，吸声材料在高频段的吸声性能较高，在大于1000 Hz的频段开始就已经有较高的吸声系数值，且随着频段增加而最佳，到2000 Hz有一最大值0.87。从而可以说明我们所生产的吸声材料可应用于产生1000～2000 Hz较高频率噪音污染区域，减少高频噪音对人体的损害。

    4 结论

    （1） 以抛光砖废料制备的吸声骨架材料，复合掺入碳化硅、硅藻土，以干混方式加入硅酸盐水泥制备的粉料能够烧结成吸声性能较好的多孔陶瓷材料。

    （2） 复合掺入造孔剂制备的多孔吸声陶瓷的最大吸声系数能达到0.87，平均吸声系数为0.4。此产品在大于1000 Hz后有较好的吸声性能，可作为隔音墙体材料应用于1000～2000Hz频段噪声污染比较明显的地区，辅以其他吸声材料能够更好地发挥隔音降噪的功能。

    参考文献

    [1] 周林成，李彦峰，门学虎，等. 糠醛系功能高分子材料的研究进展

    [J].功能材料，2005，4（36）：499-502.

    [2] 李海涛，朱锡，石勇，等.多孔性吸声材料的研究进展[J].材料科学

    与工程学报，2004，22（6）：934-938.

    [3] 高玲，尚福亮.吸声材料的研究与应用[J].化工时刊，2007，21（2）：

    63-69.

    [4] 张守梅，曾令可，黄其秀，等. 环保吸声材料的发展动态及展望

    [J].陶瓷学报，2002，（1）：56-61.

    [5] 税安泽，夏海斌，曾令可，等.利用抛光砖废料制备多孔保温建筑

    材料[J].硅酸盐通报，2008，27，（1）：191-195.

    [6] Jung K J， Caset A， Molinier J.Biomass， 1988， 16：63.

    [7] Jung K J， Caset A， Molinier J.Biomass， 1988， 16：89.

    [8] Boutin C，Royer Auriault J L.Int J Solids Structures，1998，35：

    4707-4737.

    [9] 金卓仁.一种新型中低频吸声材料的研制[J].噪声与振动控制，

    1993，6（3）：31-35.

    [10] 朱记磊，汤慧萍，葛渊，等. 多孔陶瓷材料的发展现状与展望[J].

    功能材料，2007，（38）：3723-3726.

    [11] 缪松兰，马光华，李清涛.建筑陶瓷抛光废渣制备轻质陶瓷材料

    的研究[J].陶瓷学报，2005（2）.

    [12] 董峰，郝洪顺，崔文亮.陶瓷工业固体废弃物的回收再利用[J].

    硅酸盐通报，2006（3）.

    [13] 蔡祖光.陶瓷工业废料废渣的处理[J].佛山陶瓷，2002（03）.

    [14] 侯来广，刘艳春，曾令可，等.陶瓷废料在功能性多孔陶瓷材料

    中的应用[J].陶瓷，2009（8）.

    （2） 硅藻土添加剂对空隙率及吸声性能的影响

    为提高制品吸声性能，笔者选择了硅藻土来提高材料的通孔气孔率，掺入使用硅藻土进行烧成试验，同时，适当调整碳化硅及硅酸盐水泥的比例。烧成温度控制在1160℃左右，具体控制比例如表5所示。掺入2.5%水泥后烧成材料的吸声系数示意图如图3所示。

    试验结果显示：掺入硅藻土后，通孔气孔率明显增加，但掺入比例过多会导致材料生成的玻璃相含量过多而易裂。掺入25%硅藻土时，烧成制品气孔率可达到72.8%。利用驻波管法检测结果显示，平均吸声系数可达到0.40，当频率在1600 Hz时，吸声率达到最大值0.87。

    从图3我们看到，吸声材料在高频段的吸声性能较高，在大于1000 Hz的频段开始就已经有较高的吸声系数值，且随着频段增加而最佳，到2000 Hz有一最大值0.87。从而可以说明我们所生产的吸声材料可应用于产生1000～2000 Hz较高频率噪音污染区域，减少高频噪音对人体的损害。

    4 结论

    （1） 以抛光砖废料制备的吸声骨架材料，复合掺入碳化硅、硅藻土，以干混方式加入硅酸盐水泥制备的粉料能够烧结成吸声性能较好的多孔陶瓷材料。

    （2） 复合掺入造孔剂制备的多孔吸声陶瓷的最大吸声系数能达到0.87，平均吸声系数为0.4。此产品在大于1000 Hz后有较好的吸声性能，可作为隔音墙体材料应用于1000～2000Hz频段噪声污染比较明显的地区，辅以其他吸声材料能够更好地发挥隔音降噪的功能。

    参考文献

    [1] 周林成，李彦峰，门学虎，等. 糠醛系功能高分子材料的研究进展

    [J].功能材料，2005，4（36）：499-502.

    [2] 李海涛，朱锡，石勇，等.多孔性吸声材料的研究进展[J].材料科学

    与工程学报，2004，22（6）：934-938.

    [3] 高玲，尚福亮.吸声材料的研究与应用[J].化工时刊，2007，21（2）：

    63-69.

    [4] 张守梅，曾令可，黄其秀，等. 环保吸声材料的发展动态及展望

    [J].陶瓷学报，2002，（1）：56-61.

    [5] 税安泽，夏海斌，曾令可，等.利用抛光砖废料制备多孔保温建筑

    材料[J].硅酸盐通报，2008，27，（1）：191-195.

    [6] Jung K J， Caset A， Molinier J.Biomass， 1988， 16：63.

    [7] Jung K J， Caset A， Molinier J.Biomass， 1988， 16：89.

    [8] Boutin C，Royer Auriault J L.Int J Solids Structures，1998，35：

    4707-4737.

    [9] 金卓仁.一种新型中低频吸声材料的研制[J].噪声与振动控制，

    1993，6（3）：31-35.

    [10] 朱记磊，汤慧萍，葛渊，等. 多孔陶瓷材料的发展现状与展望[J].

    功能材料，2007，（38）：3723-3726.

    [11] 缪松兰，马光华，李清涛.建筑陶瓷抛光废渣制备轻质陶瓷材料

    的研究[J].陶瓷学报，2005（2）.

    [12] 董峰，郝洪顺，崔文亮.陶瓷工业固体废弃物的回收再利用[J].

    硅酸盐通报，2006（3）.

    [13] 蔡祖光.陶瓷工业废料废渣的处理[J].佛山陶瓷，2002（03）.

    [14] 侯来广，刘艳春，曾令可，等.陶瓷废料在功能性多孔陶瓷材料

    中的应用[J].陶瓷，2009（8）.