造孔劑對多孔陶瓷吸聲性能的影響研究

劉宇　劉俊榮　梁耀龍

摘 要：噪聲污染對人居環(huán)境的影響越來越明顯，因此，減少噪聲污染的意義重大。本文利用拋光廢料作為原料重復(fù)利用，同粘土、石英及長石制備吸聲陶瓷材料骨架，利用碳化硅、硅藻土和硅酸鹽水泥的幾種發(fā)泡造孔劑，研究它們在多孔骨架材料中的用量及對吸聲性能的影響，同時，探討了最佳制備工藝及燒成制度。本文利用干法混入硅酸鹽水泥的方式，能夠制備出吸聲性能較好的吸聲陶瓷材料，其平均吸聲系數(shù)為0.4。

關(guān)鍵詞：多孔陶瓷；造孔劑；干混；吸聲系數(shù)

1 引言

隨著我國的工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，在工業(yè)生產(chǎn)、工程建筑、交通運輸方面有了很大的改善和提高。但工業(yè)化生產(chǎn)、機械運作帶來的噪聲污染也變得越來越明顯，成為破壞人們正常工作和生活環(huán)境質(zhì)量的一個難題 [1，2]。而在人口密集區(qū)、制造型工業(yè)區(qū)，噪聲污染的程度越加嚴重，也是環(huán)保治理中一個尤為關(guān)注的熱點問題。

目前，解決這一難題的主要方法就是在人居空間內(nèi)使用吸聲材料，主要的方法就是采用具有吸聲、隔音性能的材料被動式吸收噪聲，從而減少噪聲污染對人體的危害[3]。按照材料吸聲原理主要可分為多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)材料兩大類[4]。多孔吸聲材料主要通過材料結(jié)構(gòu)中的大量細微連通孔隙，將傳播入射到材料的聲波能量一部分在材料表面反射消耗，另一部分透過材料內(nèi)部向前傳播并被轉(zhuǎn)變成熱能消耗掉。過程中通過熱交換引起的熱損失也進一步使聲能衰減 [5-7]。共振吸聲結(jié)構(gòu)材料與多孔吸聲材料吸聲機理雖不同，但最終的目的均為將聲能轉(zhuǎn)化為熱能[8-10]。

同時，在我國的陶瓷生產(chǎn)中，拋光磚廢料的量隨著陶瓷產(chǎn)量增加而增多，有些堆積拋光磚廢料的地方因未采用合適的利用和處理方法而導(dǎo)致廢料堆積如山[11]，嚴重污染人類的生存環(huán)境。如能將拋光磚廢料作為一種陶瓷生產(chǎn)原料循環(huán)使用，不僅減少了陶瓷生產(chǎn)原料成本，同時也能達到變廢為寶，資源重復(fù)利用的目的[12-14]。

本研究制備的陶瓷材料是屬于多孔吸聲材料，采用陶瓷拋光廢料、碳化硅作為發(fā)泡造孔劑。同時，采用具有硅酸鹽水泥和多孔功能的硅藻土作為通孔造孔劑，能制備一種平均吸聲系數(shù)為0.4，最大吸聲系數(shù)為0.87的高效吸聲功能陶瓷材料。

2 試驗內(nèi)容

2.1 試驗原料及設(shè)備

（1） 試驗原料

本試驗所用的原料有陶瓷拋光廢料、硅藻土、原礦泥、高溫砂、長石、碳化硅、三聚磷酸鈉、普通硅酸鹽水泥等。

（2） 試驗設(shè)備

本試驗所采用的設(shè)備有小型陶瓷球磨機、分樣篩、陶瓷原料破碎機、200 kg球磨機、小型燃油噴霧塔、小型燃油干燥窯、框架液壓機、馬弗爐、輥道窯。

2.2 制備工藝

吸音陶瓷材料的制備工藝流程如圖1所示。

（1） 配料

吸音材料的組成原料主要是普通陶瓷原料（高溫砂、長石、粘土等）、硅藻土、工業(yè)用硅酸鹽水泥、三聚磷酸鈉、碳化硅、拋光磚廢料，其各原料氧化物含量分析如表1所示。

按比例稱取各原料入球，料：水=1：0.5，密封球磨機投球口后，球磨2 h，然后將漿料進行過篩除鐵。

（2） 成形

將漿料利用柱塞泵輸送至噴霧塔進行噴霧干燥成粉，將粉料壓制成不同尺寸規(guī)格及厚度陶瓷磚坯，成形過程應(yīng)適當(dāng)排氣以防分層裂磚。

（3） 燒成

將干燥后的生坯磚放入輥道窯窯爐進行燒成，燒成制度按照研究需要進行設(shè)計。為防止燒成過程中裂磚，燒成過程不可升溫過快，冷卻階段時間不能過短。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 拋光磚廢料的研究

本研究中我們以拋光磚廢料及陶瓷原料制備的配方作為多孔吸聲陶瓷的骨架材料，在這一基礎(chǔ)上使用造孔劑提高材料孔隙率及降低孔壁厚度。而所用到的拋光磚廢料主要氧化物含量如表1所示，其屬于一種低溫原料，試驗時直接摻入陶瓷原配方中，會降低配方溫度，使得樣品在高溫生相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的熔融玻璃相過多，磚坯強度降低，從而導(dǎo)致燒成制品變形較大，冷卻時易開裂。為提高配方溫度，筆者進行配方設(shè)計，具體配方設(shè)計如表2所示。

多孔陶瓷配方分別在1155～1170℃進行燒成試驗，其結(jié)果顯示，配方2在1155～1170℃有一個較寬的燒成區(qū)域，燒成產(chǎn)品內(nèi)部孔洞分布均勻細小，密度在1.43 g/cm3、抗折強度為16 MPa，能夠作為此研究中吸聲骨架材料配方。此時，對配方2進行成分分析，其結(jié)果如表3所示。

3.2 提升吸聲性能的研究

本文通過加入不同的造孔劑來研究陶瓷材料的吸聲性能。其主要方法是在陶瓷骨架材料中分別添加硅酸鹽水泥、碳化硅及硅藻土造孔劑，以及三者添加劑復(fù)合摻入到陶瓷骨架材料中進行燒成。其具體試驗方法及結(jié)果如下。

（1）硅酸鹽水泥及碳化硅添加劑對空隙率及吸聲性能的影響

首先在陶瓷骨架材料配方中分別摻入硅酸鹽水泥及碳化硅兩種發(fā)泡劑，以研究其對材料的孔隙率及吸聲性能的影響。燒成溫度范圍為1155～1170℃，發(fā)泡劑的選擇及比例如表4所示。

試驗結(jié)果顯示：

（1） 單獨摻入碳化硅氣孔率較大，但主要以密閉氣孔為主；

（2） 單獨摻入硅酸鹽水泥有明顯通孔細縫，但孔隙率低，制品發(fā)泡不明顯；

（3） 復(fù)合摻入硅酸鹽水泥和碳化硅兩者后的孔隙率增加，斷面有明顯連通氣孔；

（4） 考慮到水泥是一種水中固化的膠凝材料，筆者分別選用了兩種方式對比研究：1） 直接同其他原料球磨；2） 球磨其他原料后加入水泥粉進行干混。并對1165 ℃下的燒成制品進行吸聲系數(shù)檢測，其結(jié)果如圖2所示。

試驗結(jié)果顯示：直接濕混4%球磨的材料吸聲系數(shù)最大值在0.12，平均吸聲系數(shù)0.07。而以干混方式摻入2%水泥到粉料中，在1165 ℃下進行燒成的效果較好，如圖2 b）所示。燒成制品經(jīng)駐波管法檢測吸聲系數(shù)結(jié)果為，在500～1000Hz頻段有一較高吸聲系數(shù)值為0.55，平均降噪系數(shù)為0.19。但此燒成制品的孔壁厚且孔徑不均勻，孔徑在0.1～7 mm不等，吸聲性能值偏低。endprint

（2） 硅藻土添加劑對空隙率及吸聲性能的影響

為提高制品吸聲性能，筆者選擇了硅藻土來提高材料的通孔氣孔率，摻入使用硅藻土進行燒成試驗，同時，適當(dāng)調(diào)整碳化硅及硅酸鹽水泥的比例。燒成溫度控制在1160℃左右，具體控制比例如表5所示。摻入2.5%水泥后燒成材料的吸聲系數(shù)示意圖如圖3所示。

試驗結(jié)果顯示：摻入硅藻土后，通孔氣孔率明顯增加，但摻入比例過多會導(dǎo)致材料生成的玻璃相含量過多而易裂。摻入25%硅藻土?xí)r，燒成制品氣孔率可達到72.8%。利用駐波管法檢測結(jié)果顯示，平均吸聲系數(shù)可達到0.40，當(dāng)頻率在1600 Hz時，吸聲率達到最大值0.87。

從圖3我們看到，吸聲材料在高頻段的吸聲性能較高，在大于1000 Hz的頻段開始就已經(jīng)有較高的吸聲系數(shù)值，且隨著頻段增加而最佳，到2000 Hz有一最大值0.87。從而可以說明我們所生產(chǎn)的吸聲材料可應(yīng)用于產(chǎn)生1000～2000 Hz較高頻率噪音污染區(qū)域，減少高頻噪音對人體的損害。

4 結(jié)論

（1） 以拋光磚廢料制備的吸聲骨架材料，復(fù)合摻入碳化硅、硅藻土，以干混方式加入硅酸鹽水泥制備的粉料能夠燒結(jié)成吸聲性能較好的多孔陶瓷材料。

（2） 復(fù)合摻入造孔劑制備的多孔吸聲陶瓷的最大吸聲系數(shù)能達到0.87，平均吸聲系數(shù)為0.4。此產(chǎn)品在大于1000 Hz后有較好的吸聲性能，可作為隔音墻體材料應(yīng)用于1000～2000Hz頻段噪聲污染比較明顯的地區(qū)，輔以其他吸聲材料能夠更好地發(fā)揮隔音降噪的功能。

參考文獻

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[14] 侯來廣，劉艷春，曾令可，等.陶瓷廢料在功能性多孔陶瓷材料

中的應(yīng)用[J].陶瓷，2009（8）.endprint

（2） 硅藻土添加劑對空隙率及吸聲性能的影響

為提高制品吸聲性能，筆者選擇了硅藻土來提高材料的通孔氣孔率，摻入使用硅藻土進行燒成試驗，同時，適當(dāng)調(diào)整碳化硅及硅酸鹽水泥的比例。燒成溫度控制在1160℃左右，具體控制比例如表5所示。摻入2.5%水泥后燒成材料的吸聲系數(shù)示意圖如圖3所示。

試驗結(jié)果顯示：摻入硅藻土后，通孔氣孔率明顯增加，但摻入比例過多會導(dǎo)致材料生成的玻璃相含量過多而易裂。摻入25%硅藻土?xí)r，燒成制品氣孔率可達到72.8%。利用駐波管法檢測結(jié)果顯示，平均吸聲系數(shù)可達到0.40，當(dāng)頻率在1600 Hz時，吸聲率達到最大值0.87。

從圖3我們看到，吸聲材料在高頻段的吸聲性能較高，在大于1000 Hz的頻段開始就已經(jīng)有較高的吸聲系數(shù)值，且隨著頻段增加而最佳，到2000 Hz有一最大值0.87。從而可以說明我們所生產(chǎn)的吸聲材料可應(yīng)用于產(chǎn)生1000～2000 Hz較高頻率噪音污染區(qū)域，減少高頻噪音對人體的損害。

4 結(jié)論

（1） 以拋光磚廢料制備的吸聲骨架材料，復(fù)合摻入碳化硅、硅藻土，以干混方式加入硅酸鹽水泥制備的粉料能夠燒結(jié)成吸聲性能較好的多孔陶瓷材料。

（2） 復(fù)合摻入造孔劑制備的多孔吸聲陶瓷的最大吸聲系數(shù)能達到0.87，平均吸聲系數(shù)為0.4。此產(chǎn)品在大于1000 Hz后有較好的吸聲性能，可作為隔音墻體材料應(yīng)用于1000～2000Hz頻段噪聲污染比較明顯的地區(qū)，輔以其他吸聲材料能夠更好地發(fā)揮隔音降噪的功能。

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（2） 硅藻土添加劑對空隙率及吸聲性能的影響

為提高制品吸聲性能，筆者選擇了硅藻土來提高材料的通孔氣孔率，摻入使用硅藻土進行燒成試驗，同時，適當(dāng)調(diào)整碳化硅及硅酸鹽水泥的比例。燒成溫度控制在1160℃左右，具體控制比例如表5所示。摻入2.5%水泥后燒成材料的吸聲系數(shù)示意圖如圖3所示。

試驗結(jié)果顯示：摻入硅藻土后，通孔氣孔率明顯增加，但摻入比例過多會導(dǎo)致材料生成的玻璃相含量過多而易裂。摻入25%硅藻土?xí)r，燒成制品氣孔率可達到72.8%。利用駐波管法檢測結(jié)果顯示，平均吸聲系數(shù)可達到0.40，當(dāng)頻率在1600 Hz時，吸聲率達到最大值0.87。

從圖3我們看到，吸聲材料在高頻段的吸聲性能較高，在大于1000 Hz的頻段開始就已經(jīng)有較高的吸聲系數(shù)值，且隨著頻段增加而最佳，到2000 Hz有一最大值0.87。從而可以說明我們所生產(chǎn)的吸聲材料可應(yīng)用于產(chǎn)生1000～2000 Hz較高頻率噪音污染區(qū)域，減少高頻噪音對人體的損害。

4 結(jié)論

（1） 以拋光磚廢料制備的吸聲骨架材料，復(fù)合摻入碳化硅、硅藻土，以干混方式加入硅酸鹽水泥制備的粉料能夠燒結(jié)成吸聲性能較好的多孔陶瓷材料。

（2） 復(fù)合摻入造孔劑制備的多孔吸聲陶瓷的最大吸聲系數(shù)能達到0.87，平均吸聲系數(shù)為0.4。此產(chǎn)品在大于1000 Hz后有較好的吸聲性能，可作為隔音墻體材料應(yīng)用于1000～2000Hz頻段噪聲污染比較明顯的地區(qū)，輔以其他吸聲材料能夠更好地發(fā)揮隔音降噪的功能。

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中的應(yīng)用[J].陶瓷，2009（8）.endprint