CN112143183B - 一种两相复合结构吸声材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种两相复合结构吸声材料及其制备方法和应用，属于吸声材料技术领域。将气凝胶基体与3D间隔织物相复合，得到的两相复合结构吸声材料具有空腔谐振吸声材料的特点，同时，3D间隔织物的加入在材料内部形成了孔径为间隔丝直径、并填充有间隔丝的微穿孔，进一步提高材料的中低频吸声性能，3D间隔织物的良好缓冲性能可以明显提升材料的力学性能。该吸声材料可以作为建筑、车体、航空等吸声材料，应用范围广，市场前景良好。其制备方法工艺简单、反应条件温和、制备周期短，适合工业化生产。

Description

一种两相复合结构吸声材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于吸声材料技术领域，具体涉及一种两相复合结构吸声材料及其制备方法和应用。
背景技术
气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体，密度为3kg/m3。对于气凝胶的研究，由于具有高弹性和强吸附等特点，一般处于储能器件、隔热材料和航天探测器等方面的研究，而忽略了其具有一定的吸声性能。气凝胶的低声速特性，使其成为一种理想的声学延迟或高效隔音材料。气凝胶内部充满了两端开放并与表面相通的纳米孔，其高达1000m2/g的比表面积说明，其包含孔的数量非常之多，因此声音在其中传播时，声能将被其大量存在的孔壁大大消耗，这使得气凝胶具有比普通多孔材料高数十倍的吸声效果。气凝胶作为一种新型吸声材料，不但吸声效果更好，且超轻质，无污染，其用途将非常广泛。
但对于纯气凝胶吸声材料而言，其力学性能有一定的局限性，而且其低频吸声性也需要改善。
中国发明专利，公告号为CN207619865U的文献提供一种高速铁路用金属声屏障，在声屏障中起主要降噪作用的金属复合消声插板的空腔中，使用带有气凝胶复合层的吸声体。通过在吸声体上导入二氧化硅气凝胶材料，利用气凝胶大的比表面积与高孔洞率特性，提高声屏障整体降噪效果。此发明提出了一种应用于该结构的采用低成本高效率的二氧化硅气凝胶粉末的表面喷涂黏结的实施方式，在不改变原有产品安装外形构架的基础上，形成降低声能量透射、有效改善吸收高频振动的降噪结构。其是利用气凝胶的吸声性能，将其加到吸声体上，提高材料整体的吸声性能，而不是以气凝胶为基体。
中国发明专利，公告号为CN208085148U的文献提供了一种气凝胶基复合铝纤维吸声板，包括支撑板、铝纤维毡、气凝胶毡及铝网板。支撑板设置在中间，铝纤维毡设置在支撑板的两侧，气凝胶毡设置在铝纤维毡的外侧，铝网板设置在气凝胶毡的外侧，支撑板与铝纤维毡之间、铝纤维毡与气凝胶毡之间、气凝胶毡与铝网板之间均通过粘结剂粘结。支撑板上布设有吸音孔，吸音孔贯穿至支撑板的两侧。此发明涉及一种气凝胶基复合铝纤维吸声板，对于船舶舱室、车体、飞机、工业厂房天花板，机械振动发动机等吸声领域具有重要的意义，但支撑板与铝纤维毡之间、铝纤维毡与气凝胶毡之间、气凝胶毡与铝网板之间的结合牢度是不可控制的。
中国发明专利，公告号为CN109138196A的文献公开一种气凝胶复合吸声结构。气凝胶复合吸声结构包括隔热吸声件，以及分布在所述隔热吸声件侧面或内部的若干个空腔，其中隔热吸声件由气凝胶和通孔型高阻尼泡沫金属构成，气凝胶填充在所述通孔型高阻尼泡沫金属的孔洞中。本发明提供的一种气凝胶复合吸声结构具有优异的吸声、隔声、隔热、保温、轻质高强等特性，其制备方法具有低成本、高效率、连续化生产等特点，市场前景巨大。气凝胶与泡沫金属构成，但是泡沫金属不是对称结构，且气凝胶与泡沫金属存在一定的重量差，制成的吸声材料在力学结构上会有些许问题，且需要对通孔型高阻尼泡沫金属表面进行润湿，利用真空负压技术将得到的气凝胶-胶粘剂浆料填充在通孔型高阻尼泡沫金属的孔洞中等操作有一定的技术性。
发明内容
为了解决上述现有技术中吸声材料的中低频吸声性能不佳，力学性能较弱等缺陷，本发明公开了一种两相复合结构吸声材料及其制备方法和应用，结构设计合理，制造工艺简单，提升了中低频吸声性能和力学性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种两相复合结构吸声材料，包括3D间隔织物和气凝胶基体；气凝胶基体复合填充在3D间隔织物的上下面层之间，气凝胶基体在3D间隔织物中的填充系数为100％。
优选地，3D间隔织物的面层为编链组织和衬纬组织复合形成的针织物。
优选地，3D间隔织物的面层和间隔丝的编织纱均为涤纶。
优选地，气凝胶基体为海藻酸钠气凝胶。
进一步优选地，气凝胶基体中海藻酸钠的质量分数为0.1～4％。
优选地，两相复合结构吸声材料的厚度为7～15mm，密度为0.08187～0.11143g/cm3；空气中，在100Hz～6300Hz范围内平均吸声系数为0.4，在3000～4000Hz范围内的平均吸声系数为0.82，最高吸声系数为0.95，在5500Hz～6300Hz范围内具有第二吸收峰。
本发明公开了上述两相复合结构吸声材料作为建筑吸声材料、车体吸声材料和航空吸声材料的应用。
本发明公开了上述两相复合结构吸声材料的制备方法，分为以下步骤：
步骤1：织造3D间隔织物并铺入模具中；
步骤2：将海藻酸钠与蒸馏水混合均匀，静置至无气泡后倒入模具中；
步骤3：静置至海藻酸钠溶液体系将3D间隔织物完全填充后，进行冷冻；
步骤4：将步骤3得到的产物进行冷冻干燥，得到气凝胶基体复合填充在3D间隔织物中的两相复合结构吸声材料。
优选地，步骤2和步骤3中，静置是在相对湿度60％～65％、温度22～28℃的条件下进行的。
优选地，步骤3中，冷冻的温度低于-40℃，时间为2h；步骤4中，冷冻干燥的温度低于-40℃，时间为2～3天，压力小于100Pa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种两相复合结构吸声材料，将气凝胶基体与3D间隔织物相复合，得到的两相复合结构吸声材料具有空腔谐振吸声材料特点，同时，3D间隔织物的加入在材料内部形成了孔径为间隔丝直径、并填充有间隔丝的微穿孔，进一步提高材料的中低频吸声性能，3D间隔织物的良好缓冲性能可以明显提升材料的力学性能。气凝胶由于其低密度，且制作简便，其形状、尺寸可任意调节，使得两相复合结构吸声材料具有质轻，制作简便的特点。此外，气凝胶浓度变化实现对于两相复合结构吸声材料吸声和力学性能的可控调节，以满足各领域吸声材料的要求。
进一步地，3D间隔织物的面层为编链组织和衬纬组织复合形成的针织物，可以减少纵向延伸性，有利于表面层的结构稳定。
进一步地，气凝胶采用海藻酸钠气凝胶，海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物，是一种天然多糖，具有药物制剂辅料所需的稳定性、溶解性、粘性和安全性，对人体无害，海藻酸钠已经在食品工业和医药领域得到了广泛应用，而且气凝胶的密度小。
进一步地，该两相复合结构吸声材料轻薄、密度低，在空气中具有良好的吸声性能。
本发明公开的上述两相复合结构吸声材料可以作为建筑吸声材料、车体吸声材料和航空吸声材料等吸声材料，应用范围广，市场前景良好。
本发明公开的上述两相复合结构吸声材料的制备方法，工艺简单、反应条件温和、适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明的两相复合结构吸声材料的结构示意图；
图中：1为3D间隔织物，2为气凝胶基体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1，为本发明的两相复合结构吸声材料，包括3D间隔织物1、气凝胶基体2；3D间隔织物1的面层采用编链组织和衬纬组织复合形成的针织物。3D间隔织物1与气凝胶基体2复合，气凝胶基体2在3D间隔织物1中的填充系数为100％；编链组织的编链纱可以采用涤纶；气凝胶采用海藻酸钠气凝胶，其中海藻酸钠含量是0.1％～4％。
上述两相复合结构吸声材料的厚度为7～15mm，密度为0.08187～0.11143g/cm3的规格。
上述两相复合结构吸声材料可以作为建筑吸声材料、车体吸声材料和航空吸声材料等吸声材料，能够满足航空航天、交通及建筑各领域应用的要求。
上述两相复合结构吸声材料可以采用以下方法制备得到，分为以下步骤：
步骤1：3D间隔织物1采用具有GB1～GB6共6把梳栉的双针床拉舍尔经编机织造，GB2、GB5上所带纱线为涤纶复丝，GB1、GB6上所带为涤纶丝束，GB3、GB4上所带为涤纶单丝；GB1和GB2两把梳栉在前针床编织3D间隔织物的上表面，GB5和GB6两把梳栉则在后针床编织织物的下表面，GB3和GB4两把梳栉上携带着间隔丝，在前后两个针床交替编织以将间隔织物的上下表面用间隔丝连接，形成3D间隔织物1；
步骤2：将裁剪好的3D间隔织物1铺入直径5.5cm、高1.5cm的模具中；
步骤3：将一定含量海藻酸钠在磁力搅拌器的作用下同蒸馏水混合均匀；
步骤4：在相对湿度60％～65％、温度22～28℃的条件下进行静置，待所混合的溶液体系中无气泡时，将溶液体系倒入模具中；
步骤5：在相对湿度60％～65％、温度22～28℃的条件下进行静置，待所混合的溶液体系将3D间隔织物1完全填充后，将模具放入冰箱或冷冻干燥机中于-40℃以下冷冻2小时；
步骤6：将冻好的样品在冷冻干燥机中于-40℃以下、100Pa压力以下干燥2～3天，得到两相复合结构吸声材料。
下面以一个具体实施例对本发明的两相复合结构吸声材料的制备方法进行进一步解释：
在机号为E18的双针床拉舍尔经编机上编织表层为编链+衬纬的经编间隔织物，双针床拉舍尔经编机有6把梳栉(GB1～GB6)，其中GB1和GB2两把梳栉在前针床编织3D间隔织物的上表面；GB5和GB6两把梳栉则在后针床编织织物的下表面；GB3和GB4两把梳栉上携带着间隔丝在前后两个针床交替编织以将间隔织物的上下表面用间隔丝连接起来，从而形成最终的三维整体结构。GB2、GB5上所带纱线为300D/96F的涤纶复丝；GB1、GB6上所带为涤纶纤维丝束；GB3、GB4上所带为直径0.2mm的涤纶单丝。所得织物厚度为7mm，密度为0.08187～0.11143g/cm3。织物下机后，将裁剪好的3D间隔织物铺入模具中。按比例配好一定浓度的海藻酸钠气凝胶溶液。将制备好的溶液倒入间隔织物所处的模具中，冷冻，干燥。制得3D间隔织物/气凝胶两相复合结构吸声材料。
性能验证：
依据GB/T18696.2 2002标准，采用阻抗管测试系统在100至6300Hz频率范围内进行吸声系数测试，平均吸声系数达到0.40，具有一定吸音效果，尤其在3000～4000Hz范围内平均吸声系数可达0.82以上，相较其它频率段，具有更好的吸声效果，最高吸声系数可达到0.95，在5500Hz～6300Hz范围内出现第二吸收峰，可实现多频段的吸声，部分数据见表1：
表1
频率(Hz) 1000 2000 3000 4000 5000 6000 平均 最高
吸声系数 0.12 0.13 0.76 0.55 0.20 0.32 0.40 0.95
由表1可以看出，此种两相复合结构吸声材料在空气中均具有较宽的吸声频带，且吸收峰处吸声系数高，整体吸声性能较好。此外，通过调节材料结构参数，可对材料在不同频段的吸声性能进行较为精确的控制，满足不同外界环境的吸声要求。

Claims (7)

1.一种两相复合结构吸声材料，其特征在于，包括3D间隔织物（1）和气凝胶基体（2）；气凝胶基体（2）复合填充在3D间隔织物（1）的上下面层之间，气凝胶基体（2）在3D间隔织物（1）中的填充系数为100%；3D间隔织物（1）的面层为编链组织和衬纬组织复合形成的针织物；气凝胶基体（2）为海藻酸钠气凝胶；气凝胶基体（2）中海藻酸钠的质量分数为0.1~4%。
2.根据权利要求1所述的两相复合结构吸声材料，其特征在于，3D间隔织物（1）的面层和间隔丝的编织纱均为涤纶。
3.根据权利要求1所述的两相复合结构吸声材料，其特征在于，两相复合结构吸声材料的厚度为7~15mm，密度为0.08187～0.11143g/cm3；空气中，在100Hz～6300Hz范围内平均吸声系数为0.4，在3000~4000Hz范围内的平均吸声系数为0.82，最高吸声系数为0.95，在5500Hz～6300Hz范围内具有第二吸收峰。
4.权利要求1~3任意一项所述两相复合结构吸声材料作为建筑吸声材料、车体吸声材料和航空吸声材料的应用。
5.权利要求1~3任意一项所述两相复合结构吸声材料的制备方法，其特征在于，分为以下步骤：
步骤1：织造3D间隔织物（1）并铺入模具中；
步骤2：将海藻酸钠与蒸馏水混合均匀，静置至无气泡后倒入模具中；
步骤3：静置至海藻酸钠溶液体系将3D间隔织物（1）完全填充后，进行冷冻；
步骤4：将步骤3得到的产物进行冷冻干燥，得到气凝胶基体（2）复合填充在3D间隔织物（1）中的两相复合结构吸声材料。
6.根据权利要求5所述的两相复合结构吸声材料的制备方法，其特征在于，步骤2和步骤3中，静置是在相对湿度60%～65%、温度22～28℃的条件下进行的。
7.根据权利要求5所述的两相复合结构吸声材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，冷冻的温度低于-40℃，时间为2h；步骤4中，冷冻干燥的温度低于-40℃，时间为2~3天，压力小于100Pa。
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