CN104108902A - 一种微粒吸声板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微粒吸声板及其制备方法，该微粒吸声板包括粘结剂和吸声颗粒，吸声颗粒外表面覆盖一层粘结剂，覆盖粘结剂后的颗粒的角形系数小于1.3；所述吸声颗粒包括骨架颗粒和填充颗粒，骨架颗粒构成吸声板骨架，填充颗粒进入骨架颗粒间的孔隙形成吸声缝隙，吸声缝隙横截面的平均直径为0.07mm。同时本发明吸声板先覆膜后固化定型的两段制造工艺是避免了过量的粘结剂填塞颗粒间空隙，可进一步提高颗粒的角形系数。因此，本发明提供的微粒吸声板及其制备方法，它可以在保证吸声板结构强度的同时提高吸声板的吸声系数，获得较好的吸声效果。

Description

一种微粒吸声板及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑用吸声材料，具体涉及一种微粒吸声板及制备方法。
背景技术
吸声材料是借自身的多孔性、薄膜作用或共振作用而对入射声能具有吸收作用的材料，按其物理性能和吸声方式可分为多孔性吸声材料和共振吸声结构两大类。
多孔性吸声材料的结构特征是材料内部有大量的、互相贯通的、向外敞开的微孔，其吸声原理是声波进入材料孔隙后，引起孔隙中空气和材料的细小纤维振动导致摩擦和粘滞阻力，声能转变成热能而被吸收，工程上广泛使用的有纤维材料和灰泥材料两大类。前者包括玻璃棉和矿渣棉或以此类材料为主要原料制成的各种吸声板材或吸声构件等；后者包括微孔砖和颗粒性矿渣吸声砖等。
多孔性灰泥吸声材料种类繁多，由于原料使用的不同，分为矿渣吸声砖、膨胀珍珠岩吸声砖、陶土吸声砖、砂岩环保吸声板等。虽然该类吸声材料种类很多，但由于受制作方法、成孔机理和结构强度的限制，其孔隙率低，吸声系数低，吸声效果不好，都没有得到大面积的推广。
例如专利申请号为201210398344.3公开了一种砂岩环保吸声板，它是由天然圆砂粒或天然彩色圆砂粒与环氧树脂胶混合后压成板材构成基础层，膨化珍珠岩颗粒与环氧树脂胶混合后压在板材上构成轻质层，网格布压在轻质层上起到强度拉力和骨架作用，该吸声板采用基础层、轻质材料层、网格布层和装饰面层的四层结构，其结构复杂、制造工序多，成本高。砖岩环保吸声板中基础层和轻质层的成孔机理是水分子蒸发环氧树脂胶固化后出现的自然孔隙起到吸声作用，由于水分子蒸发形成的空隙是断续的、随机的，所以其孔隙率是不可预知的，并且水分子蒸发形成的空隙大多为无法通气和储气的闭孔，该闭孔是无法完成吸声功能的，所以其吸声系数是不确定的，吸声效果并不好。并且由于采用砂粒外表面的不规则性，造成砂粒之间粘结的比表面积增大，加大了粘结剂的用量，使该吸声板的成本居高不下，影响其推广使用。
上述不足仍有值得改进的地方。
发明内容
本发明的目的就在于针对现有技术的不足，提供一种微粒吸声板及其制备方法，它可以在保证吸声板结构强度的同时提高吸声板的吸声系数，获得较好的吸声效果。
为了实现上述目的，本发明提供了一种微粒吸声板，它包括粘结剂和吸声颗粒，吸声颗粒外表面覆盖一层粘结剂，覆盖粘结剂后的吸声颗粒的角形系数小于1.3；所述吸声颗粒包括骨架颗粒和填充颗粒，骨架颗粒构成吸声板骨架，填充颗粒进入骨架颗粒间的孔隙形成吸声缝隙。
进一步的，上述吸声缝隙横截面的平均直径在0.06-0.09mm之间，优选0.07mm。
进一步的，所述骨架颗粒的粒度为0.8-1mm，所述填充颗粒的粒度为0.15mm；所述骨架颗粒和填充颗粒的重量比为80-90∶10-15。
为了选得更多的角形系数小于1.5的颗粒，提高选料的速度，上述吸声颗粒选自砂粒、陶粒和再生建筑废料形成的微粒。
为了保证颗粒的粘结强度和粘结力，上述粘结剂选自环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂和糠醇树脂。
本发明的微粒吸声板是由两种不同直径的微粒粘合在一起形成的，其吸声机理为声波进入吸声板时，孔隙中的空气与微粒的外表面发生摩擦，通过摩擦将声能转变成热能消耗，而孔隙的长度增加可以促进声能的消耗，从而提高吸声效果。众所周知，微粒之间组成的空隙有三种状态：闭孔、半连通孔和连通孔。闭孔无法储气、通气，不具有吸声功能，因此要具备好的吸声效果，其空隙应多为半连通孔和连通孔。本发明提供的微粒吸声板就具备这种优良的吸声结构，它通过骨架颗粒（直径较大的颗粒）相互紧靠粘结形成吸声板的骨架，再通过填充颗粒（直径较小的颗粒）来填充骨架间的空隙，从而形成吸声所需要的一种特定微孔结构，当这种结构的微孔直径为0.07mm时，结构具有优良的吸声性能，它包括可储气、通气的连通孔隙和可储气、但无法通气的半连通孔隙。
发明人经过长期的实验分析研究，影响微粒吸声板吸声性能有3个因素：微粒之间形成孔隙的长度、形状（宽窄）和数量。孔隙的长度与吸声板的厚度有关，当微粒吸声板的孔隙形状确定后，微粒板的厚度对吸声效果有影响。微粒板越厚，其流阻加大，吸声带宽增大。出于经济性及使用范围的考虑，微粒板的厚度最好在10mm至50mm之间。
当采用同一直径的微粒时，其形成的总孔隙率是一定的，为0.472，与颗粒直径无关，只是随着颗粒直径的变小，颗粒间的孔隙变窄，孔隙数量变多，但孔隙率是不变的，也就是说依靠微粒相互紧靠形成的吸声板的极限孔隙率为0.472。但是并不是孔隙率最大时其吸声效果最好，如图5所示，单一直径的微粒形成的吸声板其吸声性能呈现低频不佳、高频较好的特性。同时如图5所示，颗粒间形成的孔隙的宽窄对吸声效果是有影响的，大直径颗粒形成的孔隙较宽，吸声的低频效果较好，小颗粒直径形成的孔隙较窄，吸声的高频效果较好，因此孔隙的形状和数量将影响吸声频段与吸声频宽。为了使吸声板对高、低频都具有较好的吸声效果，本发明人经过多次研究实验发现，通过在大直径的颗粒间填充小直径的颗粒，使大颗粒形成的孔隙被小微粒分割成三个小的缝隙，从而使孔隙既相互连通又曲直拐弯，既可以增加孔隙的长度，又可以得到不同形状的孔隙，从而获得较好的吸声性能。见图7所示。
当采用同一直径的微粒时，其孔隙是由五个微粒相互靠近形成的，理论上，该孔隙10的最大截面积Sx应该是三个互相接触的微粒形成的孔的横截面面积，如图6所示。该横截面积理论计算方法如下所示。
Sx=（三角形面积S）-3×弓形面积S1
（1）三角形7为全等三角形，三个内角均为60°，
S= (R×CON30°)×(R×SIN30°)=0.433R2
（2）弓形8面积S1=（扇形9面积）-（三角形7面积S）
     扇形9面积=（60/360）×3.14×R=0.523R2
         S1=(0.523-0.433) R2=0.09 R2
（3）孔隙10面积Sx
SX=S-3×S1=(0.433-3×0.09) R2 = 0.163 R2
R——颗粒半径。
因此，孔隙的面积与微粒半径的平方成正比，即使用微粒的直径越大，形成的孔隙的面积也越大。
发明人经过数次实验得到，当采用一种直径的砂粒形成吸声板时，直径为0.3mm（60-70目筛网）的砂粒的吸声系数相对较好。由上式可以求得该缝隙面积SX=0.163R2 = 0.163×0.15×0.15=0.00367mm2，其缝隙直径为：0.069mm。
当在大直径中嵌入小直径微粒时，通过计算我们知道：当五个大微粒所辖的缝隙中嵌入一个小直径微粒时，其缝隙截面积S2：
     S2=3.14r2=3.14×（0.155R）2=3.14×0.024R2=0.075R2
当缝隙直径变大时，吸声的峰值变小，频道变窄。当缝隙直径等于0.069mm时，吸声系数呈现最佳状态。等缝隙进一步变窄，则中频变差。所以，缝隙直径0.07mm为最佳吸声缝隙。
若大微粒直径为0.8mm时，S2=0.012mm2，相当于增加了3个直径为0.07mm的小圆缝隙。 即：0.8mm大微粒内嵌小颗粒形成的缝隙与0.3mm微粒形成的缝隙是相等的，故其吸声性能也较好。
当缝隙的直径为0.07mm时，缝隙的数量增加3倍，吸声系数呈现出将单个峰值进行了削弱，同时扩大了全频道的吸声性能。
因此经过多次实验，本发明人确认直径为0.8-1mm的颗粒中内嵌0.15mm颗粒形成的孔隙的宽窄对于高低频的吸声效果都是合适的。本发明最佳的配比方案为：80-90份φ0.8-1mm的骨架颗粒、10-15份φ0.15mm填充颗粒。
而为了保证颗粒间形成孔隙的均匀与一致性，颗粒的圆度要求也是十分重要的。理论上圆球状的颗粒相靠时其形成的孔隙是最大的，但实际上使用的颗粒的形状总是不规则的，当不规则的颗粒相靠时形成的孔隙一方面会变小，另一方面在局部会发生堵死孔隙形成“闭孔”的现象，因此最终会使微粒吸声板的总孔隙率变小，同时会生成许多对吸声没用的“闭孔”，降低微粒吸声板的声学性能。因此，控制颗粒的圆度是十分重要的。
在理论上，我们用角形系数来表征颗粒的圆度，它是以颗粒的实际比表面积比上相应理想球体的比表面积得到的，因此它可以表示颗粒形状偏离圆球状的程度，角形系数越大，颗粒的形状越不规则，越偏离圆球状。因此为了获得较大的孔隙率及吸声孔隙，我们选择用于吸声板制备的颗粒的角形系数应小于1.3，尽量保证颗粒呈圆形，当大微粒直径为0.8mm时，并内嵌0.15mm的微粒形成，形成缝隙面积S2=0.12mm形成了三个相当于增加了3个直径为0.07的小圆缝隙。但实际的微粒一般角形系数小于1.5左右，因此我们采用颗粒外表面覆盖粘结剂的方法来修正颗粒的圆度，颗粒在外覆粘结剂后应保证角形系数达到1.3，呈基本圆形。
进一步的，为了减小覆膜厚度，同时保证颗粒被修圆，应选择吸声颗粒的角形系数小于1.5，因为选择角形系数小于1.5的颗粒可以保证在覆膜颗粒角形系数达到1.3时其颗粒外表面覆盖粘结剂的厚度在0.1-0.2mm之间，达到最佳声学性能。因为颗粒覆膜（粘结剂）过厚的话，在重力的作用下会在颗粒表面形成“泪滴”，这种多余的泪滴会堵塞缝隙，影响微粒吸声板的声学性能；而覆膜太薄的话，颗粒不容易被修圆，不易形成较大的粘结面积，粘结强度不够。粘结剂的厚度在0.1-0.2mm，既可以保证颗粒的粘结强度，又可以减少粘结剂的用量，降低成本。
同时，为了使吸声板颗粒间相互牢固粘连形成骨架，但又要避免粘结剂填塞颗粒间的空隙降低吸声板的孔隙率，本发明还提供了上述微粒吸声板的制备方法，它包括以下步骤：
（1）按所述重量份组成量取吸声颗粒原料混合均匀，将其放入密封装置内，密封装置内通空气搅动颗粒悬浮，同时雾状喷入粘结剂，控制粘结剂的喷入速度为20-40mg/s,如图3所示，吸声颗粒4表面均匀覆盖有0.1-0.2mm厚的粘结剂5，常温下阴干即为覆膜颗粒；
（2）将步骤（1）所得覆膜颗粒与固化剂充分搅拌，置于模具内震动成型。
其中，上述步骤（1）中颗粒表面粘结剂的覆盖厚度为0.1-0.2mm，该厚度保证了覆膜颗粒具备必要的粘结强度，同时也不会因过厚堵塞孔隙，降低吸声板的吸声性能。
步骤（1）中粘结剂的加入量以砌块颗粒重量计为3%-10%。
步骤（2）中固化剂的加入量根据所选粘结剂的种类和加入量而定。
优选的是，密封装置顶部连接吸尘装置，在密封装置通入压缩空气前先启动吸尘装置，以便去除砌块颗粒原料中的泥浆和灰尘，利于颗粒的均匀覆膜。
同时，为了使颗粒间相互牢固粘连，又要避免过量的粘结剂填塞颗粒间空隙，粘结剂的分量、吸声板的制备工艺也是十分重要的。发明人通过计算得到吸声板需要的总的粘结强度，从而推算出颗粒间的粘结面积，进而确定了吸声板中粘结剂的添加量，避免了过量的粘结剂填塞颗粒间空隙，降低吸声板孔隙率，同时也节约了粘结剂的使用量，降低使用成本。
本发明吸声板先覆膜后固化定型的两段制造工艺是先将颗粒表面均匀覆盖上一层0.1-0.2mm厚的粘结剂，然后再与固化剂混合，颗粒之间再进行粘连，该制备工艺也避免了过量的粘结剂填塞颗粒间空隙。同时本发明对吸声颗粒进行覆膜也具有两个优点：（1）可进一步提高颗粒的角形系数，使颗粒基本呈圆球状，利于砌块吸声孔隙的形成，因为本发明是依靠颗粒相互挤靠形成的孔隙来实现吸声的，若颗粒都为圆球状，则利于提高其孔隙率，但实际上颗粒基本均为多边体，覆膜则可以将表面具有菱角的颗粒包裹成基本呈圆球状；（2）均匀覆膜可形成较大的粘结面6，从而获得良好的机械性能，如图4所示。
因此，本发明提供的微粒吸声板及其制备方法，它可以在保证吸声板结构强度的同时提高吸声板的吸声系数，获得较好的吸声效果。
附图说明
图1为本发明微粒吸声板的立体结构示意图；
图2为本发明微粒吸声板的剖面示意图；
图3为吸声颗粒的覆膜示意图；
图4为吸声颗粒的粘结示意图；
图5为混合颗粒吸声板与单一直径颗粒吸声板的吸声系数对比图；
图6为微粒孔隙示意图；
图7为本发明实施例1-3和对比实施例1-8的吸声系数对比图。
图例说明：1、骨架；2、连通孔；3、半连通孔；4、吸声颗粒；5、粘结剂；6、粘结面；7、三角形；8、弓形；9、扇形；10、孔隙；11、骨架颗粒；12、填充颗粒。
具体实施方式
为了更加清楚的理解本发明的目的、技术方案及有益效果，下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明，但并不将本发明的保护范围限定在以下实施例中。
参见图1、图2，本发明提供的微粒吸声板的孔隙是依靠不同直径的微粒紧密挤靠而形成的。它是依靠骨架颗粒11形成吸声板的骨架1，通过填入一定比例的填充颗粒12（较细颗粒）来填充骨架间空隙形成吸声缝隙，吸声缝隙横截面的平均直径为0.07mm，从而形成吸声所需要的一种特定微孔结构。当这种微孔直径为0.07mm时，结构具有优良的吸声性能，包括可储气、通气的连通孔2和可储气、但无法通气的半连通孔3。下面以具体实施例说明本发明微粒吸声板的具体制作工艺。
实施例1：
1、原料选择：选择角形系数小于1.5的风积砂砂粒，用20目和25目的筛网筛选出0.8mm直径的微粒；用90目和100目的筛网筛选出0.15mm直径的微粒。
2、原料混合：取φ0.8mm微粒90kg，φ0.15mm微粒10kg混合均匀。
3、覆盖粘结剂：将上述混合好的原料放入一密封装置内，启动密封装置顶部连接的吸尘器，除去原料中的泥浆和灰尘后关闭；然后密闭装置底部通入压缩空气搅动原料悬浮，同时雾状喷入粘结剂环氧树脂3kg，控制粘结剂的喷入速度为20mg/s，喷完后取出常温下阴干即为覆膜颗粒。经检测，覆膜颗粒的角形系数小于1.3，颗粒外表面覆盖的粘结剂平均厚度为0.12mm。
4、制备30mm厚的吸声板：将覆膜颗粒与适量固化剂充分搅拌后，置于30mm模具内填满，通过震动的方式使小颗粒能更好的进入大颗粒间形成的缝隙中，同时加压，当固化剂充分交联反应完成后，脱模即得吸声板。  
将该吸声板进行强度、吸声效果等检测，结果见下表。
实施例2：
1、原料选择：选择角形系数小于1.5的陶粒，用20目和25目的筛网筛选出0.8mm直径的微粒；用90目和100目的筛网筛选出0.15mm直径的微粒。
2、原料混合：取φ0.8mm微粒90kg，φ0.15mm微粒10kg混合均匀。
3、覆盖粘结剂：将上述混合好的原料放入一密封装置内，启动密封装置顶部连接的吸尘器，除去原料中的泥浆和灰尘后关闭；然后密闭装置底部通入压缩空气搅动原料悬浮，同时雾状喷入粘结剂酚醛树脂5kg，控制粘结剂的喷入速度为40mg/s，喷完后取出常温下阴干即为覆膜颗粒。经检测，覆膜颗粒的角形系数小于1.3，颗粒外表面覆盖的粘结剂平均厚度为0.20mm。
4、制备30mm厚吸声板：将覆膜颗粒与适量固化剂充分搅拌后，置于30mm模具内填满，通过震动的方式使小颗粒能更好的进入大颗粒间形成的缝隙中，同时加压，当固化剂充分交联反应完成后，脱模即得吸声板。  
将该吸声板进行强度、吸声效果等检测，结果见下表。
实施例3：
1、原料选择：选择再生建筑废料粉碎后的微粒，其角形系数小于1.5，用20目和25目的筛网筛选出0.8-1mm直径的微粒；用90目和100目的筛网筛选出0.15mm直径的微粒。
2、原料混合：取φ0.8-1mm微粒90kg，φ0.15mm微粒10kg混合均匀。
3、覆盖粘结剂：将上述混合好的原料放入一密封装置内，启动密封装置顶部连接的吸尘器，除去原料中的泥浆和灰尘后关闭；然后密闭装置底部通入压缩空气搅动原料悬浮，同时雾状喷入粘结剂脲醛树脂和糠醇树脂10kg，控制粘结剂的喷入速度为30mg/s，喷完后取出常温下阴干即为覆膜颗粒。经检测，覆膜颗粒的角形系数小于1.3，颗粒外表面覆盖的粘结剂平均厚度为0.20mm。
4、制备30mm厚吸声板：将覆膜颗粒与适量固化剂充分搅拌后，置于30mm模具内填满，通过震动的方式使小颗粒能更好的进入大颗粒间形成的缝隙中，同时加压，当固化剂充分交联反应完成后，脱模即得吸声板。  
将该吸声板进行强度、吸声效果等检测，结果见下表。
对比实施例1：具体操作同实施例1，只是步骤1中选择颗粒的角形系数小于1.8,经检测，覆膜后颗粒外表面覆盖的粘结剂平均厚度为0.07mm，覆膜颗粒的角形系数小于1.5。
对比实施例2：具体操作同实施例1，只是步骤1中选择颗粒的角形系数小于1.8,为了使覆膜后颗粒的角形系数小于1.3，在步骤3中增加粘结剂的用量至10.5kg,经检测，覆膜后颗粒外表面覆盖的粘结剂平均厚度为0.25mm。
对比实施例3：具体操作同实施例1，只是改变步骤2中原料配比（骨架颗粒配比不变，减少填充颗粒的配比）具体为：φ0.8mm微粒90kg，φ0.15mm微粒8kg, 根据计算其粘结剂用量为2.94kg。
对比实施例4：具体操作同实施例1，只是改变步骤2中原料配比（骨架颗粒配比不变，增加填充颗粒的配比）具体为：φ0.8mm微粒90kg，φ0.15mm微粒20kg, 根据计算其粘结剂用量为3.3kg。
对比实施例5：具体操作同实施例1，只是改变步骤2中原料配比（填充颗粒配比不变，减少骨架颗粒的配比）具体为：φ0.8mm微粒60kg，φ0.15mm微粒10kg, 根据计算其粘结剂用量为2.1kg。
对比实施例6：具体操作同实施例1，只是改变步骤2中原料配比（填充颗粒配比不变，增加骨架颗粒的配比）具体为：φ0.8mm微粒100kg，φ0.15mm微粒10kg, 根据计算其粘结剂用量为3.3kg。
对比实施例7：材料选用同实施例1，只是其制备方法为将吸声颗粒与粘结剂、固化剂直接混合、搅拌、加压成型。
对比实施例8：具体操作同实施例1，只是原料选择仅为φ0.8mm微粒100kg。
 将本发明实施例与对比实施例以及目前较常使用的砖岩环保吸声砖、膨胀珍珠岩吸声砖和陶土吸声砖进行强度、吸声效果对比，具体见下表所述：
从以上结果可以看出，实施例1-3为本发明技术方案的最佳实施方式，其强度高、吸声效果好，粘结剂用量也少，优于现有的砖岩环保吸声砖、膨胀珍珠岩吸声砖和陶土吸声砖；对比1和2降低了对颗粒圆度的要求，对比3-6相应改变了骨架颗粒和填充颗粒的配比，都达不到较好的吸声效果；并且使用一般的全部混合的制备方法（对比7），也达不到较好的吸声效果。对比8使用了单一直径的微粒来制作吸声板，其吸声效果和吸声频宽都不及本发明。
因此本发明是通过对颗粒圆度的要求、级配的选择以及独特的制备方法，达到本发明的技术效果的。

Claims (13)

1.一种微粒吸声板，其特征在于：包括粘结剂和吸声颗粒，所述吸声颗粒外表面覆盖一层粘结剂，覆盖粘结剂后的吸声颗粒的角形系数小于1.3；所述吸声颗粒包括骨架颗粒和填充颗粒，骨架颗粒构成吸声板骨架，填充颗粒进入骨架颗粒间的孔隙形成吸声缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种微粒吸声板，其特征在于：所述吸声缝隙横截面的平均直径在0.06-0.09mm之间。
3.根据权利要求2所述的一种微粒吸声板，其特征在于：所述吸声缝隙横截面的平均直径为0.07mm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种微粒吸声板，其特征在于：所述骨架颗粒的粒度为0.8-1mm，所述填充颗粒的粒度为0.15mm。
5.根据权利要求4所述的一种微粒吸声板，其特征在于：所述骨架颗粒和填充颗粒的重量比为80-90∶10-15。
6.根据权利要求1所述的一种微粒吸声板，其特征在于：选择吸声颗粒的角形系数小于1.5。
7.根据权利要求6所述的一种微粒吸声板，其特征在于：所述吸声颗粒外表面粘结剂的覆盖厚度为0.1-0.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种微粒吸声板，其特征在于：所述吸声颗粒选自砂粒、陶粒和再生建筑废料形成的微粒。
9.根据权利要求1所述的一种微粒吸声板，其特征在于：所述粘结剂选自环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂和糠醇树脂。
10.根据权利要求1所述的一种微粒吸声板，其特征在于：所述吸声板的厚度在10-50mm之间。
11.一种微粒吸声板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）按所述重量份组成量取吸声颗粒原料混合均匀，将其放入密封装置内，密封装置内通空气搅动颗粒悬浮，同时雾状喷入粘结剂，控制粘结剂的喷入速度为20-40mg/s,使颗粒外表面均匀覆盖一层粘结剂，待粘结剂干燥后即为覆膜颗粒；
（2）将步骤（1）所得覆膜颗粒与固化剂充分搅拌，置于模具内震动成型。
12.根据权利要求11所述的一种微粒吸声板的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述密封装置顶部连接吸尘装置。
13.根据权利要求11所述的一种微粒吸声板的制备方法，其特征在于：步骤（1）中粘结剂的加入量以吸声颗粒重量计为3%-10%。
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