CN108529887A - 一种高强度多孔吸声材料的制备方法 - Google Patents

一种高强度多孔吸声材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明意在公开一种以高钛型高炉缓冷渣为主要原料制备高强度多孔吸声材料的方法。该方法首先将高钛型高炉缓冷渣和硅质原料混合，添加发泡剂及助熔剂组成配合料，将球磨后的配合料直接放入容器按指定烧结工艺烧结。该方法提高了高钛型高炉废渣的利用率，对废弃资源进行再利用，保护环境。所制成的高强度多孔吸声材料吸声性能优异、成本低、不燃、无毒、耐腐蚀，安装时不会产生粉尘危害健康，同时相对泡沫玻璃吸声材料具有较高的强度，有望用于交通路网声屏障吸声材料。

Description

一种高强度多孔吸声材料的制备方法
技术领域
本发明涉及建筑吸声材料领域，具体地说是一种高强度多孔吸声材料及其制备方法。
背景技术
近年来随着我国经济建设的迅猛发展，交通路网的建设也日新月异，大大方便了人们出行和物资交流。但四通八达的道路和大量的车流所带来的噪声污染日益突出，成为干扰人们工作休息，危害身心健康一大因素。目前较有效的解决方法是在道路两边设置声屏障，以期达到吸声降噪的目的。传统的声屏障吸声材料比如纤维吸声材料有防火性能差，易脆断，易产生粉尘、强度低等缺点。泡沫金属材料强度高，但高昂的价格限制了其应用。
泡沫玻璃作为用于交通路网声屏障的新型吸声材料拥有不燃、无毒、无粉尘、成本低、耐腐蚀等优点，但其较低的强度限制了应用范围。吴云等【废玻璃基泡沫玻璃吸声性能的研究[D].包头:内蒙古科技大学,2016】制备出的泡沫玻璃吸声材料在CaCO3含量为3wt.％，发泡温度为750℃，保温10min时综合性能最佳，厚度100mm的试样平均吸声系数达到0.32，抗压强度为0.92MPa；钟祥璋等【吸声泡沫玻璃的材料特性及其吸声性能的提高[J].声频工程,2010,34(8):04-08】所制得的泡沫玻璃密度为180~240Kg/m3，开口气孔率为40~60％。厚度40mm，密度200Kg/m3的样品达到最大降噪系数0.35，抗压强度为0.7MPa；马岩美等【以高炉渣为原料制取泡沫玻璃对吸声的影响[J].有色金属,3(15):54-61】所制备的吸声泡沫玻璃在材料厚度为80mm时平均吸声系数达到0.526。
CN2358074Y公开了在泡沫玻璃板上打盲孔提高吸声性能的方法。通过在泡沫玻璃表面钻出盲孔，使泡沫玻璃开孔率较之前提高10到20个百分点，达到55~65％，吸声系数较之前提高0.1到0.2达到0.5~0.6；CN101696092A公开了一种以高炉水淬渣为原料，以硅灰粉和NaOH溶液为粘结剂，在1.5~4MPa的压强下压制成型，在1100℃烧制1~6h制备多孔吸声材料的方法，其吸声系数在厚度70mm时可达0.7，强度可达4MPa；CN103951260A公开了一种以废玻璃、重质碳酸钙、粗硼砂和少量锌白为原料制备开孔泡沫玻璃的方法，其低频段(100~125Hz)吸声系数和高频段(125~1600Hz)吸声系数分别为0.37~0.46和0.52~0.61，强度达到0.6~0.7MPa，并未具体说明试样厚度。
综上，泡沫玻璃用于交通路网吸声材料时，机械强度较低限制了其推广应用。
我国攀西地区堆积了大量的高钛型高炉渣，由于其成分复杂、含杂质多，目前尚未有高效的大规模工业处理方法。不仅浪费钛资源，而且占用土地，对环境造成严重破坏。CN101323503公开了一种利用高钛型高炉渣制备微晶泡沫玻璃的方法，即通过发泡和微晶化过程分开进行的“二步法”。但其工艺复杂，制备周期长，大大增加了生产成本。此外制造的微晶泡沫玻璃平均孔径偏大而按照常规，孔径大的材料吸声性能不好。CN103241955公开了一种以高钛型高炉水淬渣为主要原料，添加分解型发泡剂CaCO3，通过发泡和微晶化过程同步进行的“一步法”烧结制备微晶泡沫玻璃，工艺简单且制备周期短。因析出大量微小晶体后形成了玻晶交织的结构，该方法制备出的微晶泡沫玻璃具有较高的强度，但其中孔径较小，闭孔率较高，使其不适合吸声降噪用途，适合保温隔热等用途。特别值得一提的是，这两个专利中高炉渣的利用量比较低。本发明利用高钛型高炉缓冷渣不同于高钛型高炉水淬渣的物相特性，添加多种硅质原料，采用还原型发泡剂AlN，制备出的多孔材料开孔率较高，适用于吸声用途。并且由于高钛型高炉渣中本身含有TiO2、V2O5等形核剂，在烧结过程中形成的大量微晶体赋予该多孔材料中特殊的玻晶交织结构，使其具有较高的强度，同时较多的晶体析出有利于孔壁对空气的粘滞作用促进吸声。因此该多孔材料有望广泛用于交通路网声屏障吸声材料。同时该制备方法显著提高了对高钛型高炉废渣的利用率，也符合可持续发展要求，具有较高社会和经济效益。
发明内容
本发明针对现有问题，高效利用高钛型高炉缓冷渣，节约资源，保护环境。并且由于高钛型高炉渣中本身含有TiO2、V2O5等形核剂，在烧结过程中形成大量微晶体使得该多孔材料具有特殊的玻晶交织结构，赋予其较高的强度及更好的吸声性能。
本发明是提供一种制作高强度多孔吸声材料的方法，步骤和条件如下。
（1）把高钛型高炉缓冷渣和硅质原料分别研磨至150~200目，按质量分数计，将30~50wt.％高钛型高炉缓冷渣、30~60wt.％硅质原料、1~5wt.％发泡剂以及5~7wt.％助熔剂混合。
（2）将配制好的粉体放入陶瓷罐中球磨混匀10~40min，转速150~300r/min。
（3）将混匀后的粉体放入坩埚内进行烧结，先以5~10℃/s的速度升温至400℃并保温10~20min，再以10~20℃/s的速度升温至950~1020℃保温40~90min进行烧结。烧结完成后以20~30℃/s的速度冷却至500℃，最后以4~6℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
以上方法中将配制好的粉体放入陶瓷罐中用Al2O3陶瓷球球磨混匀20~30min，转速为180~300r/min。
以上方法中所添加的硅质原料为废玻璃粉、石英砂，发泡剂为AlN，助溶剂为硼砂。
本发明与现有技术相比具有以下积极效果。
本发明利用高钛型高炉缓冷渣制备高强度多孔吸声材料，开发了高钛型高炉缓冷渣的新用途。不仅充分利用废弃资源，减少高钛型高炉废渣堆积，保护环境，节约土地资源，而且提高了高钛型高炉缓冷渣的利用附加值，较其它方法提高了废渣利用率。为制备多孔吸声材料找到了一种廉价的原料，应用前景广阔。对高钛型高炉渣进行整体利用，节约能源，不产生二次污染。
本发明所研制的高强度多孔吸声材料因其较高的开孔率具有较好吸声性能，同时大量析出的微小晶体也促进其强度和吸声性能的提高，有望用于交通路网声屏障吸声材料，可弥补目前泡沫玻璃吸声材料强度低的问题。
本发明制得的高强度多孔吸声材料轻质高强、吸水率低、无毒、不燃、耐腐蚀，不产生对人体有害的粉尘，吸声性能较好，拥有良好的综合性能。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述。
值得说明的是1）以下各实施例配料比例皆为质量百分比；2）体积密度吸水率参照JC/T647-2005测试；3）抗压强度按照GB5486.2-85进行测试，速度为2mm/s；4）利用驻波管法测试吸声系数时材料厚度均为20mm，测得平均吸声系数为0.28~0.49。
实施例1。
添加40.5wt.％的高钛型高炉缓冷渣，50.5wt.％的废玻璃粉，1wt.％的AlN，5wt.％的硼砂。在球磨机中以180r/min的速度球磨混匀30min。放入刚玉坩埚送入电阻炉中烧结，先以8℃/min的速度升温至400℃并保温20min，再以10℃/min的速度升至1020℃保温60min进行烧结。烧结完成后以25℃/s的速度冷却至500℃，最后以5℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
该高强度多孔吸声材料体积密度0.95g/cm3,开孔率为50.43％，平均孔径为1.28mm，抗压强度12.49MPa，平均吸声系数0.29。
实施例2。
添加39wt.％的高钛型高炉缓冷渣，52wt.％的废玻璃粉，2wt.％的AlN，7wt.％的硼砂。在球磨机中以250r/min的速度球磨混匀25min。放入刚玉坩埚送入电阻炉中烧结，先以5℃/min的速度升温至400℃并保温20min，再以10℃/min的速度升至1000℃保温40min进行烧结。烧结完成后以30℃/s的速度冷却至500℃，最后以4℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
该高强度多孔吸声材料体积密度0.96g/cm3,开孔率为53.62％，平均孔径为0.88mm，抗压强度16.64MPa，平均吸声系数0.36。
实施例3。
添加48wt.％的高钛型高炉缓冷渣，42wt.％的废玻璃粉，4wt.％的AlN，6wt.％的硼砂。在球磨机中以300r/min的速度球磨混匀30min。放入刚玉坩埚送入电阻炉中烧结，先以8℃/min的速度升温至400℃并保温20min，再以10℃/min的速度升至1020℃保温60min进行烧结。烧结完成后以28℃/s的速度冷却至500℃，最后以5℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
该高强度多孔吸声材料体积密度1.17g/cm3，开孔率为55.34％，平均孔径为0.70mm，抗压强度15.65MPa，平均吸声系数0.39。
实施例4。
添加40.5wt.％的高钛型高炉缓冷渣，50.5wt.％的废玻璃粉，4wt.％的AlN，6wt.％的硼砂。在球磨机中以300r/min的速度球磨混匀30min。放入刚玉坩埚送入电阻炉中烧结，先以5℃/min的速度升温至400℃保温20min，再以10℃/min的速度升至980℃保温90min。烧结完成后以20℃/s的速度冷却至500℃，最后以6℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
该高强度多孔吸声材料体积密度0.61g/cm3,开孔率为67.48％，平均孔径为1.59mm，抗压强度3.89MPa，平均吸声系数0.49。
实施例5。
添加46wt.％的高钛型高炉缓冷渣，44wt.％的废玻璃粉，4wt.％的AlN，6wt.％的硼砂。在球磨机中以280r/min的速度球磨混匀30min。放入刚玉坩埚送入电阻炉中烧结，先以10℃/min的速度升温至400℃并保温20min，再以10℃/min的速度升至1020℃保温60min进行烧结。烧结完成后以25℃/s的速度冷却至500℃，最后以6℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
该高强度多孔吸声材料体积密度0.88g/cm3,开孔率为60.49％，平均孔径为0.54mm，抗压强度11.21MPa，平均吸声系数0.41。
实施例6。
添加40wt.％的高钛型高炉缓冷渣，52wt.％的废玻璃粉，3wt.％的AlN，5wt.％的硼砂。在球磨机中以200r/min的速度球磨混匀30min。放入刚玉坩埚送入电阻炉中烧结，先以5℃/min的速度升温至400℃并保温20min，再以10℃/min的速度升至1000℃保温50min进行烧结。烧结完成后以28℃/s的速度冷却至500℃，最后以6℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
该高强度多孔吸声材料体积密度0.71g/cm3,开孔率为63.28％，平均孔径为0.91mm，抗压强度9.53MPa，平均吸声系数0.43。
实施例7。
添加48wt.％的高钛型高炉缓冷渣，43wt.％的石英砂，4wt.％的AlN，5wt.％的硼砂。在球磨机中以200r/min的速度球磨混匀30min。放入刚玉坩埚送入电阻炉中烧结，先以5℃/min的速度升温至400℃并保温20min，再以15℃/min的速度升至980℃保温40min进行烧结。烧结完成后以30℃/s的速度冷却至500℃，最后以4℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
该高强度多孔吸声材料体积密度1.24g/cm3,开孔率为46.62％，平均孔径为0.41mm，抗压强度18.12MPa，平均吸声系数0.28。
实施例8。
添加48wt.％的高钛型高炉缓冷渣，41wt.％的石英砂，4wt.％的AlN，7wt.％的硼砂。在球磨机中以180r/min的速度球磨混匀30min。放入刚玉坩埚送入电阻炉中烧结，先以7℃/min的速度升温至400℃并保温20min，再以16℃/min的速度升至950℃保温40min。烧结完成后以25℃/s的速度冷却至500℃，最后以5℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
该高强度多孔吸声材料体积密度0.73g/cm3,开孔率为56.62％，平均孔径为0.91mm，抗压强度9.29MPa，平均吸声系数0.34。

Claims (7)

1.一种制作高强度多孔吸声材料的方法，其特征在于：
（1）把高钛型高炉缓冷渣和硅质原料分别研磨至150~200目，按质量分数计，将30~50wt.％高钛型高炉缓冷渣、30~60wt.％硅质原料、1~5wt.％发泡剂以及5~7wt.％助熔剂混合
（2）将配制好的粉体放入陶瓷罐中球磨混匀10~40min，转速150~300r/min
（3）将混匀后的粉体放入容器内进行烧结，先以5~10℃/s的速度升温至400℃并保温10~20min，再以10~20℃/s的速度升温至950~1020℃保温40~90min进行烧结，烧结完成后以20~30℃/s的速度冷却至500℃，最后以4~6℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
2.根据权利要求1所述的一种以高钛型高炉缓冷渣制备高强度多孔吸声材料的方法，其特征在于，该方法中各组分按质量分数计分别优选为为38~48wt.％高钛型高炉缓冷渣、30~55wt.％硅质原料。
3.根据权利要求1所述的一种以高钛型高炉缓冷渣制备高强度多孔吸声材料的方法，其特征在于所添加的硅质原料为废玻璃粉、石英砂，发泡剂为AlN，助溶剂为硼砂。
4.根据权利要求1所述的一种以高钛型高炉缓冷渣制备高强度多孔吸声材料的方法，其特征在于将球磨后的粉体放入坩埚内直接进行堆烧，无需压块。
5.根据权利要求2或3所述的一种以高钛型高炉缓冷渣制备高强度多孔吸声材料的方法，其特征在于将球磨后的粉体放入坩埚内直接进行堆烧，无需压块。
6.根据权利要求2所述的一种以高钛型高炉缓冷渣制备高强度多孔吸声材料的方法，其特征在于先以5~10℃/s的速度升温至400℃并保温10~20min，再以10~20℃/s的速度升温至950~1020℃保温40~90min进行烧结，烧结完成后以20~30℃/s的速度冷却至500℃，最后以4~6℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
7.根据权利要求3或4所述的一种以高钛型高炉缓冷渣制备高强度多孔吸声材料的方法，其特征在于先以5~10℃/s的速度升温至400℃并保温10~20min，再以10~20℃/s的速度升温至950~1020℃保温40~90min进行烧结，烧结完成后以20~30℃/s的速度冷却至500℃，最后以4~6℃/s的速度缓慢冷却至室温制得高强度多孔吸声材料。
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