CN112339362B - 一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其由碳纤维层、羽绒吸音层层叠数层而成；碳纤维层内侧布设有网状分布的橡胶垫与羽绒吸音层进行粘接，橡胶垫截面呈工字型，且橡胶垫两端面用于与碳纤维层、羽绒吸音层采用粘接剂粘接，橡胶垫的间隙处填塞有30‑50％填充密度的羽绒；羽绒吸音层由内部填充有羽绒的复合纤维空心管线组横纵交织构成羽绒吸音层，复合纤维空心管线组由一定个数并排设置的复合纤维空心管线组成，复合纤维空心管线之间采用粘接剂粘接，且每个复合纤维空心管线内均封填有70‑85％填充密度的羽绒。本发明利用碳纤维层、羽绒吸音层的层叠结构设计，从而使吸音材料同时具有超轻质量及强效吸音效果。

Description

一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料
技术领域
本发明涉及吸音材料技术领域，具体是涉及一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料。
背景技术
噪声同样也是声音的一种，其均源于物体的振动，它引起邻近空气的振动而形成声波，并在空气介质中向四周传播，当声音传入构件材料表面时，声能一部分被反射，一部分穿透材料，还有一部由于构件材料的振动或声音在其中传播时与周围介质摩擦，由声能转化成热能，声能被损耗，即通常所说声音被材料吸收，材料的吸声性能除与材料本身结构、厚度及材料的表面特征有关外，还和声音的入射方向和频率有关。
随着人们生活品质的不断提高，在多种场所以及室内装修等均会进行隔音吸音处理，随着隔音吸音材料的不断发展，越来越多种类的吸音材料应运而生，但是大多吸音材料为了达到良好的吸音效果通常十分厚重，这对施工装饰使用等带来一定得难度和困扰，目前来看尚未有一种很好的解决方式在提高吸音效果或不影响吸音效果的同时，降低吸音材料的质量；因此，现需要一种新型轻质吸音材料来解决这一问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料。
本发明的技术方案是：一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其由碳纤维层、羽绒吸音层层叠数层而成；
所述碳纤维层内侧布设有网状分布的橡胶垫与羽绒吸音层进行粘接，所述橡胶垫截面呈工字型，且橡胶垫两端面用于与碳纤维层、羽绒吸音层采用粘接剂粘接，橡胶垫的间隙处填塞有30-50％填充密度的羽绒；
所述羽绒吸音层由内部填充有羽绒的复合纤维空心管线组横纵交织构成羽绒吸音层，所述复合纤维空心管线组由一定个数并排设置的复合纤维空心管线组成，所述复合纤维空心管线之间采用粘接剂粘接，且每个复合纤维空心管线内均封填有70-85％填充密度的羽绒。
通过上述层叠结构构成的吸音材料，在基于碳纤维层的基础吸音的同时，利用多组并排复合纤维空心管线构成的排组使其进行横纵交织，一方面可以有效避免单管编织密度造成复合纤维空心管线推挤压扁，从而造成复合纤维空心管线与羽绒所构成的吸音腔吸音效果锐减，另一方面避免了吸音材料长期使用造成局部堆积造成局部吸音效果降低等问题；利用上述三明治式层叠碳纤维层、羽绒吸音层，并利于橡胶垫构成的中继层能够进一步保证羽绒吸音层的吸音效果同时，并降低复合纤维空心管线组在层叠粘接过程中受到过大挤压，从而使本发明吸音材料同时具有超轻质量及强效吸音效果。
进一步地，所述碳纤维层为由碳纤维制成的碳纤维板或碳纤维布。可以根据实际使用需求制备出硬质吸音材料或软质吸音材料，而碳纤维板、碳纤维布均采用现有碳纤维工艺制造技术制成。
更进一步地，所述橡胶垫网状分布根据碳纤维层进行调整，其中，碳纤维层为碳纤维板时采用蜂窝网状设置，碳纤维层为碳纤维布时采用菱形网状结构设置。橡胶垫网状分布形状根据所制备的吸音材料进行调整，在制备硬质吸音材料时，利用蜂窝网状设置可以增强硬质吸音材料的结构强度并降低板件错动的可能，在制备软质吸音材料时，利用菱形网状设置可以增强吸音材料的弯曲等性能，降低对碳纤维布及复合纤维空心管线组的收卷弯曲能力的影响，使其相对其他构造布局具有更优的收卷等性能。
进一步地，所述复合纤维空心管线的并排设置个数与复合纤维空心管线直径等关系满足下述公式：
Figure BDA0002797532280000021
其中，n-排列个数，d-复合纤维空心管线外径，ρ-羽绒填充密度，s-复合纤维空心管线壁厚。通过上述公式对排列个数推算，可以根据羽绒填充密度、复合纤维空心管线壁厚以及复合纤维空心管线外径的变动进行最优调节排列个数，从而避免排列个数较少时造成复合纤维空心管线推挤压扁，影响复合纤维空心管线与羽绒所构成的吸音腔吸音效果，并避免了排列个数较多时吸音材料长期使用后造成局部堆积影响局部吸音效果。
更进一步地，所述排列个数n取整数，所述复合纤维空心管线壁厚s不大于复合纤维空心管线外径的1/3，所述复合纤维空心管线外径d优选为5-20mm。考虑到复合纤维空心管线外径过大所组构的复合纤维空心管线组不具有过高的实用性，且吸音效果由于密度的降低可能会出现下降的问题，并且本发明吸音材料的的厚度等可通过多层层叠的方式增厚等，因此本发明所公开的公式限定主要针对外径d在5-20mm的复合纤维空心管线。
进一步地，所述复合纤维空心管线的制备方法包括以下步骤：
S1：采用石膏材料制备出用于撑填复合纤维空心管线中心孔的型芯；
S2：将多种纤维束缠束成复合纤维线束，并利用机织加工在型芯上织成管网结构；
S3：将碳纤维切碎至碎末，将其按占去离子水稀释10-15倍粘接剂的1/4质量比添加并混匀得到浸润液；
S4：将步骤S2所得管网结构浸泡在步骤S3配置的浸润液中，在室温下反复搅动浸润数次，且每次时间不超过3s；
S5：将浸润完成后管网结构的型芯捣碎去除，并使用去离子水稀释10-15倍粘接剂冲洗内部，干燥后按填充密度将羽绒填塞至管内，即得到碳纤维空心管线。
上述制备方法基于现有管材的制备方法的基础上，利用本发明所公开的粘接剂进行一定稀释倍数后与切碎碳纤维进行混合，采用了多次短浸的方式对管网结构定型，可以使获得的管网结构具备纤维线束的密集多孔且具有优异的韧性，并且具有更为优异的吸音效果。
更进一步地，所述多种纤维束具体包括碳纤维束、麻纤维束、木质纤维束、聚酯纤维束中的两种及以上任意比混合缠束。
进一步地，所述粘接剂按重量份数计包括：60-80份乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂、10-15份酪朊酸钠、30-70份淀粉、20-40份羧甲基纤维素、20-30份聚丙烯酸钠、5-10份甘油、3-8份水杨酸、1-10份乙醇、200-300份水；
所述粘接剂制备方法：按重量份数称量各物质待用，将水加热至40-60℃后，将淀粉和羧甲基纤维素混匀后加入水中并不断搅拌，搅拌至均匀后停止加热，并依次加入酪朊酸钠和聚丙烯酸钠，控温至20℃±3℃并逐滴滴入甘油、水杨酸与乙醇的混合液，超声分散直至冷却至室温与乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂搅拌混匀得到粘接剂。
通过上述方式做制备得到的粘接剂，其相对于传统的乳液胶粘剂无需强压粘合，并且无需高温促使其加速粘合，相反，在常温或低温下就可以具有较为快速地粘接效果，并且粘接剂对碳纤维等无腐蚀性等，不会影响其材料的吸音效果，同时本粘接剂具有更为优异的粘接性能。
进一步地，所述超轻高性能吸音材料的制备方法，包括以下步骤：
1)碳纤维层的预处理：将一组橡胶垫一端端部涂覆粘接剂并将其粘接至碳纤维层内侧，制备得到碳纤维层边层；将两组橡胶垫一端端部涂覆粘接剂并将其分别粘接至碳纤维层两侧，制备得到碳纤维层夹层，将预制的碳纤维层边层以及碳纤维层夹层存放待用；
2)羽绒吸音层的制备：将制备好的复合纤维空心管线按填充密度填塞羽绒，并按照计算排列个数排列构成复合纤维空心管线组，在各个复合纤维空心管线的接缝处涂抹少量粘接剂，随后在复合纤维空心管线组上下两侧使用低温基板进行固定10-15s，得到复合纤维空心管线组，其中低温基板的温度控制在-5-0℃；
3)超轻高性能吸音材料的制备：将碳纤维层与羽绒吸音层叠层拼接，在碳纤维层边层、碳纤维层夹层的橡胶垫网槽内按填充密度填充羽绒，随后在橡胶垫另一端端部涂覆粘接剂，依次将碳纤维层边层、羽绒吸音层、碳纤维层夹层、羽绒吸音层、碳纤维层边层依次叠放拼叠，每层叠放时间应大于10s且避免挤压，得到超轻高性能吸音材料。
本发明的有益效果是:
(1)本发明吸音材料利用碳纤维层、羽绒吸音层的层叠结构设计，并利于橡胶垫构成的中继层能够进一步保证羽绒吸音层的吸音效果同时，并降低复合纤维空心管线组在层叠粘接过程中受到过大挤压，从而使本发明吸音材料同时具有超轻质量及强效吸音效果。
(2)本发明针对层叠结构设计的专用粘接剂，其相对于传统的乳液胶粘剂无需强压粘合，并且无需高温促使其加速粘合，从而可以有效避免在层叠粘接时造成复合纤维空心管线的挤压压扁，且粘接强度满足符合材料制备使用需求。
附图说明
图1是本发明吸音材料的结构剖面示意图。
图2是本发明复合纤维空心管线组横纵交织结构示意图。
图3是本发明橡胶垫蜂窝网状结构示意图。
图4是本发明橡胶垫菱形网状结构示意图。
其中，1-碳纤维层、1a-碳纤维层边层、1b-碳纤维层夹层、2-羽绒吸音层、21-复合纤维空心管线组、3-橡胶垫。
具体实施方式
实施例1
可根据如图3、4所示，根据碳纤维层1进行对应选择，以制备碳纤维板构成的硬质吸音材料为例，橡胶垫3网状分布根据碳纤维层1进行调整，如图3所示，碳纤维层1为碳纤维板时采用蜂窝网状设置；复合纤维空心管线的直径选用d＝10mm，壁厚s＝2mm，内羽绒填充密度ρ＝80％，根据下述公式：
Figure BDA0002797532280000061
其中，n-排列个数，d-复合纤维空心管线外径，ρ-羽绒填充密度，s-复合纤维空心管线壁厚；
计算得出，n＝8。
如图1所示，一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其由碳纤维层1、羽绒吸音层2层叠数层而成；碳纤维层1内侧布设有网状分布的橡胶垫3与羽绒吸音层2进行粘接，橡胶垫3截面呈工字型，且橡胶垫3两端面用于与碳纤维层1、羽绒吸音层2采用粘接剂粘接，橡胶垫3的间隙处填塞有38％填充密度的羽绒；如图2所示，羽绒吸音层2由内部填充有羽绒的复合纤维空心管线组21横纵交织构成羽绒吸音层2，复合纤维空心管线组21由8个并排设置的复合纤维空心管线组成，复合纤维空心管线之间采用粘接剂粘接，且每个复合纤维空心管线内均封填有80％填充密度的羽绒；
超轻高性能吸音材料的制备方法，包括以下步骤：
1)碳纤维层1的预处理：将一组橡胶垫3一端端部涂覆粘接剂并将其粘接至碳纤维层1内侧，制备得到碳纤维层边层1a；将两组橡胶垫3一端端部涂覆粘接剂并将其分别粘接至碳纤维层1两侧，制备得到碳纤维层夹层1b，将预制的碳纤维层边层1a以及碳纤维层夹层1b存放待用；
2)羽绒吸音层2的制备：将制备好的复合纤维空心管线按填充密度填塞羽绒，并按照计算排列个数排列构成复合纤维空心管线组21，在各个复合纤维空心管线的接缝处涂抹少量粘接剂，随后在复合纤维空心管线组21上下两侧使用低温基板进行固定12s，得到复合纤维空心管线组21，其中低温基板的温度控制在-5℃，低温基板为传导性能强的板材，如铜板；
3)超轻高性能吸音材料的制备：将碳纤维层1与羽绒吸音层2叠层拼接，在碳纤维层边层1a、碳纤维层夹层1b的橡胶垫3网槽内按填充密度填充羽绒，随后在橡胶垫3另一端端部涂覆粘接剂，依次将碳纤维层边层1a、羽绒吸音层2、碳纤维层夹层1b、羽绒吸音层2、碳纤维层边层1a依次叠放拼叠，每层叠放时间应大于10s且避免挤压，得到超轻高性能吸音材料。
其中，复合纤维空心管线的制备方法，包括以下步骤：
S1：采用石膏材料制备出用于撑填复合纤维空心管线中心孔的型芯；
S2：将多种纤维束缠束成复合纤维线束，并利用机织加工在型芯上织成管网结构；其中，多种纤维束具体为碳纤维束、麻纤维束、聚酯纤维束按照质量比2：2：1混合缠束；
S3：将碳纤维切碎至碎末，将其按占去离子水稀释13倍粘接剂的1/4质量比添加并混匀得到浸润液；
S4：将步骤S2所得管网结构浸泡在步骤S3配置的浸润液中，在室温下反复搅动浸润数次，且每次时间不超过3s；
S5：将浸润完成后管网结构的型芯捣碎去除，并使用去离子水稀释10-15倍粘接剂冲洗内部，干燥后按填充密度将羽绒填塞至管内，即得到碳纤维空心管线。
其中，粘接剂按重量份数计包括：75份乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂、13份酪朊酸钠、55份淀粉、25份羧甲基纤维素、25份聚丙烯酸钠、7份甘油、5份水杨酸、3份乙醇、260份水；
粘接剂制备方法：按重量份数称量各物质待用，将水加热至58℃后，将淀粉和羧甲基纤维素混匀后加入水中并不断搅拌，搅拌至均匀后停止加热，并依次加入酪朊酸钠和聚丙烯酸钠，控温至20℃并逐滴滴入甘油、水杨酸与乙醇的混合液，超声分散直至冷却至室温与乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂搅拌混匀得到粘接剂。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，橡胶垫的间隙处填塞有30％填充密度的羽绒。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，橡胶垫的间隙处填塞有50％填充密度的羽绒。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，复合纤维空心管线的制备方法中，S3：将碳纤维切碎至碎末，将其按占去离子水稀释10倍粘接剂的1/4质量比添加并混匀得到浸润液。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，复合纤维空心管线的制备方法中，S3：将碳纤维切碎至碎末，将其按占去离子水稀释15倍粘接剂的1/4质量比添加并混匀得到浸润液。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，粘接剂按重量份数计包括：60份乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂、10份酪朊酸钠、30份淀粉、20份羧甲基纤维素、20份聚丙烯酸钠、5份甘油、3份水杨酸、1份乙醇、200份水。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，粘接剂按重量份数计包括：80份乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂、15份酪朊酸钠、70份淀粉、40份羧甲基纤维素、30份聚丙烯酸钠、10份甘油、8份水杨酸、10份乙醇、300份水。
实验例
一、探究吸音材料的吸音性能
1)分别选用实施例1-7所制备的吸音材料进行吸音性能测试，使用各实施例所制备的吸音材料构建发生室、受声室，其中发生室为80cm×40cm×30cm；受声室为60cm×30cm×30cm，室内空气温度为20℃，湿度为80％；根据《建筑隔声评价标准》GB/T50121-2005对各个吸音性能进行测定；结果如下表1所示：
表1各实施例吸音材料的吸音性能数据
Figure BDA0002797532280000091
结论：由表1结果可知，对比实施例1-3，橡胶垫处填充羽绒密度对吸音效果有一定影响，但影响不大；对比实施例1、4、5，浸润液混合配比的不同对所制成的吸音材料吸音效果有较大影响；对比实施例1、6、7，考虑到测定误差等偶然因素，粘接剂配比对吸音材料的吸音效果基本无影响；其中，通过上述对比可知，实施例1的方案相对最优。
2)以实施例1所制备的吸音材料为参数对照，设立两组不同排列个数的复合纤维空心管线组，分别为n＝6、n＝8，其余参数不变，记作对照例1、对照例2，采用如1)方式进行吸音性能测试，结果下表2所示：
表2实施例1与各对照例吸音材料的吸音性能数据
实施例1 对照例1 对照例2
隔声量(dB) 78 73 74
结论：由表2结果可知，不同的排列个数对吸音效果有着一定影响，其中以公式推导得出的排列个数构成的吸音材料的吸音效果相对最优。
二、探究粘接剂的粘接性能
以实施例1、6、7所制备的吸音材料，参照GB-T2791-1995进行各个吸音材料的粘接性能，分别对碳纤维层与橡胶垫、橡胶层与羽绒吸音层的层间剥离强度进行测定并取均值，结果如下表3所示：
表3各实施例吸音材料中各层间剥离强度
实施例1 实施例6 实施例7
剥离强度(N/cm) 54.3 51.5 50.6
结论：通过上述表3结果可知，在相同使用条件下的不同配组下的粘接剂其粘接性能有一定区别，其中以实施例1中粘接剂的粘接性能最优。
以实施例1所制备的吸音材料为参数对照，设立四组不同配组的粘接剂，分别为：未添加酪朊酸钠的对照组1，未添加淀粉的对照组2，未添加羧甲基纤维素的对照组3，未添加聚丙烯酸钠的对照组4，参照GB-T2791-1995进行各个吸音材料的粘接性能，分别对碳纤维层与橡胶垫、橡胶层与羽绒吸音层的层间剥离强度进行测定并取均值，结果如下表4所示：
表4实施例1与各对照例吸音材料中各层间剥离强度
实施例1 对照组1 对照组2 对照组3 对照组4
剥离强度(N/cm) 54.3 47.8 52.6 53.4 49.7
结论：通过上述表4结果可知，在不同配组下的粘接剂其粘接性能有着一定区别，其中对照组2、3未添加淀粉、羧甲基纤维素的粘接剂与实施例1粘接效果影响较小，对照例1、4中未添加酪朊酸钠、聚丙烯酸钠的粘接剂与实施例1粘接效果影响较大。

Claims (7)

1.一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其特征在于，其由碳纤维层(1)、羽绒吸音层(2)层叠数层而成；
所述碳纤维层(1)内侧布设有网状分布的橡胶垫(3)与羽绒吸音层(2)进行粘接，所述橡胶垫(3)截面呈工字型，且橡胶垫(3)两端面用于与碳纤维层(1)、羽绒吸音层(2)采用粘接剂粘接，橡胶垫(3)的间隙处填塞有30-50％填充密度的羽绒；
所述羽绒吸音层(2)由内部填充有羽绒的复合纤维空心管线组(21)横纵交织构成羽绒吸音层(2)，所述复合纤维空心管线组(21)由一定个数并排设置的复合纤维空心管线组成，所述复合纤维空心管线之间采用粘接剂粘接，且每个复合纤维空心管线内均封填有70-85％填充密度的羽绒；
所述复合纤维空心管线的并排设置个数与复合纤维空心管线直径等关系满足下述公式：
Figure FDA0003636601300000011
其中，n-排列个数，d-复合纤维空心管线外径，ρ-羽绒填充密度，s-复合纤维空心管线壁厚；
所述排列个数n取整数，所述复合纤维空心管线壁厚s不大于复合纤维空心管线外径的1/3，所述复合纤维空心管线外径d优选为5-20mm。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其特征在于，所述碳纤维层(1)为由碳纤维制成的碳纤维板或碳纤维布。
3.如权利要求2所述的一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其特征在于，所述橡胶垫(3)网状分布根据碳纤维层(1)进行调整，其中，碳纤维层(1)为碳纤维板时采用蜂窝网状设置，碳纤维层(1)为碳纤维布时采用菱形网状结构设置。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其特征在于，所述复合纤维空心管线的制备方法包括以下步骤：
S1：采用石膏材料制备出用于撑填复合纤维空心管线中心孔的型芯；
S2：将多种纤维束缠束成复合纤维线束，并利用机织加工在型芯上织成管网结构；
S3：将碳纤维切碎至碎末，将其按占去离子水稀释10-15倍粘接剂的1/4质量比添加并混匀得到浸润液；
S4：将步骤S2所得管网结构浸泡在步骤S3配置的浸润液中，在室温下反复搅动浸润数次，且每次时间不超过3s；
S5：将浸润完成后管网结构的型芯捣碎去除，并使用去离子水稀释10-15倍粘接剂冲洗内部，干燥后按填充密度将羽绒填塞至管内，即得到碳纤维空心管线。
5.如权利要求4所述的一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其特征在于，所述多种纤维束具体包括碳纤维束、麻纤维束、木质纤维束、聚酯纤维束中的两种及以上任意比混合缠束。
6.如权利要求1所述的一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其特征在于，所述粘接剂按重量份数计包括：60-80份乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂、10-15份酪朊酸钠、30-70份淀粉、20-40份羧甲基纤维素、20-30份聚丙烯酸钠、5-10份甘油、3-8份水杨酸、1-10份乙醇、130-180份水。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种碳纤维与羽绒层叠结构的超轻高性能吸音材料，其特征在于，所述超轻高性能吸音材料的制备方法，包括以下步骤：
1)碳纤维层(1)的预处理：将一组橡胶垫(3)一端端部涂覆粘接剂并将其粘接至碳纤维层(1)内侧，制备得到碳纤维层边层(1a)；将两组橡胶垫(3)一端端部涂覆粘接剂并将其分别粘接至碳纤维层(1)两侧，制备得到碳纤维层夹层(1b)，将预制的碳纤维层边层(1a)以及碳纤维层夹层(1b)存放待用；
2)羽绒吸音层(2)的制备：将制备好的复合纤维空心管线按填充密度填塞羽绒，并按照计算排列个数排列构成复合纤维空心管线组(21)，在各个复合纤维空心管线的接缝处涂抹少量粘接剂，随后在复合纤维空心管线组(21)上下两侧使用低温基板进行固定10-15s，得到复合纤维空心管线组(21)，其中低温基板的温度控制在-5-0℃；
3)超轻高性能吸音材料的制备：将碳纤维层(1)与羽绒吸音层(2)叠层拼接，在碳纤维层边层(1a)、碳纤维层夹层(1b)的橡胶垫(3)网槽内按填充密度填充羽绒，随后在橡胶垫(3)另一端端部涂覆粘接剂，依次将碳纤维层边层(1a)、羽绒吸音层(2)、碳纤维层夹层(1b)、羽绒吸音层(2)、碳纤维层边层(1a)依次叠放拼叠，每层叠放时间应大于10s且避免挤压，得到超轻高性能吸音材料。
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