CN113336570A

CN113336570A - 一种新型复合发泡石膏吸声材料及其制备方法

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Publication number: CN113336570A
Application number: CN202110753177.9A
Authority: CN
Inventors: 谢辉; 刘俊超; 王康
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2041-07-02
Also published as: CN113336570B

Abstract

本发明公开了一种新型复合发泡石膏吸声材料及其制备方法，属于建筑材料领域。该复合发泡石膏吸声材料的组成及质量百分比是：石膏30％‑50％；水泥15％‑20％；水25％‑40％；物理发泡剂5％‑15％；化学发泡剂0％‑3％；催化剂0％‑0.05％；稳泡剂0.15％‑0.4％；减水剂0.05％‑0.15％；缓凝剂0.1％‑0.4％；增稠剂0.06％‑0.15％。制备方法为：将石膏、水泥和稳泡剂粉末制成混合粉体；将减水剂、缓凝剂、增稠剂和催化剂与水混合制成外加剂溶液；将混合粉体与外加剂溶液混合得到浆体；再先后进行物理发泡和化学发泡；最后进行浇筑，振捣和脱模等步骤得到成品。本发明的吸声材料容重低，内部通孔密度高，在低频段的吸声系数高。本发明先利用物理发泡产生多孔结构，再让化学发泡剂在已有的孔中再次发泡，形成部分通孔，改善了材料的吸声性能。

Description

一种新型复合发泡石膏吸声材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，特别涉及一种新型复合发泡石膏吸声材料及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们生活环境中充斥着越来越多的噪声。噪声可使人产生烦躁和消沉的心理效应，损害人的听觉系统，从而影响人们身体健康；噪声还会促使机械结构加速老化，影响设备的精度和仪器的寿命等等。噪声的危害不言而喻，噪声控制已经成为各国政府和科技工作者研究的重要话题。噪声控制可分为主动噪声控制和被动噪声控制，主动噪声控制的作用范围较小，且由于声源的复杂性限制了主动消声的应用效果，往往不容易把噪声降到满意的程度。被动噪声控制主要是从传播途径控制噪声，有隔声和吸声两种措施，通过隔声或吸声来改变声波方向或吸收声能，降低噪声影响区的噪声水平。通过隔声或吸声措施可很大程度上消除中高频噪声对人们生活的消极影响，但低频噪声(如城市空间中常见的低频噪声有交通噪声、电梯、变压器和中央空调等设备声)是世界噪声领域的公认难题之一，且低频噪声造成的问题复杂多样且不易治理。

目前低频噪声的治理主要是采用被动噪声控制中的吸声措施，而吸声材料是控制声场环境质量最根本的物质手段，可通过合理布置吸声材料调来改善室内声环境。多孔吸声材料是一种被广泛应用的吸声材料，与其他吸声材料相比，多孔吸声材料具有重量轻、吸声频率范围广和总体吸声效果好的优势。现有制备多孔吸声材料的方法多为发泡制备和高温烧结制备(如制备膨胀珍珠岩吸声材料)，但高温烧结消耗的资源量巨大，而且会产生大量废渣废气，不符合国家低碳环保的政策，因此发泡材料的应用最为广泛。

针对发泡材料，大多数研究者都聚焦于材料的防水、机械强度、保温和耐火等性能，而且常用的发泡工艺多为单一的物理发泡或化学发泡，对复合发泡的研究明显不足。如公开号为CN104130006A的专利，其公开了一种秸秆纤维增强的泡沫混凝土及制备方法，其将胶凝材料、秸杆纤维、增稠剂进行搅拌混合后将水、化学发泡剂、稳泡剂、催化剂加入搅拌得到浆状混合料，然后加入膨胀蛭石搅拌得到化学发泡的泡沫混凝土；将物理发泡剂加入到化学发泡的泡沫混凝土中，搅拌后浇筑到模具中，等混凝土凝固和硬化脱模后制得。上述专利虽然具有一定的隔音效果，但根据上述专利的背景和效果可知，其主要是制造一种完全无机不燃性和阻燃性保温隔热材料，同时增强泡沫混凝土的韧性、保温隔热性能。此外，公开号为CN104130006A的专利虽然采用了符合发泡工艺，但其是先进行化学发泡再进行物理发泡，目的是在化学发泡形成的孔结构的基础上，进一步增加孔的密度，从而增加材料中闭孔的比率，改善材料的热工性能，而这种制备方法制成的材料几乎没有通孔结构(对吸声性能影响较大)，材料的吸声性能差。因此，本领域亟需提出一种发泡吸声材料及其制备方法，通过独特制备方法来改善吸声材料的容重和吸声效果等，以此来消除现有技术的限制。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型复合发泡石膏吸声材料，材料容重低，内部具有高密度的通孔结构，在低频段处的吸声系数高；原材料低碳环保，简单易得，节约资源且成本低。

实现本发明目的的技术方案是：

一种新型复合发泡石膏吸声材料，包括以下质量百分比的材料：

石膏：30％-50％；

水泥：15％-20％；

水：25％-40％；

物理发泡剂：5％-15％；

化学发泡剂：0％-3％；

催化剂：0％-0.05％；

稳泡剂：0.15％-0.4％；

减水剂：0.05％-0.15％；

缓凝剂：0.1％-0.4％；

增稠剂：0.06％-0.15％。

进一步地，所述石膏为天然石膏或工业副产石膏；物理发泡剂为动物蛋白类发泡剂；化学发泡剂为30％的双氧水；稳泡剂选用硬脂酸钙；减水剂为三聚氰胺。

石膏为天然石膏，同时可用工业副产石膏(脱硫石膏、磷石膏中的一种或两种)来代替，以此达到资源利用最大化和低碳环保的目的。

物理发泡剂可采用动物蛋白类发泡剂，在同样密度下，用动物蛋白类发泡剂比用植物性发泡剂制作的发泡吸声材料具有更高的密封性、保温性和强度。

化学发泡剂为30％的双氧水，催化剂选用高锰酸钾，其可以加速双氧水的分解，使化学发泡过程更加充分。

稳泡剂选用硬脂酸钙，作用是提高发泡形成的孔结构的稳定性，使其在成型过程中更加稳定，不易破裂。

进一步地，水泥为铝酸盐水泥或硅酸盐水泥中的一种或两种。

进一步地，增稠剂为羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇中的一种或两种。

本发明中的水泥用于改善材料的力学性能；减水剂和缓凝剂用于改善发泡过程中浆体的和易性，减缓浆体的凝固速度，使材料内部有足够的孔结构；稳泡剂的作用则是保证在孔结构发泡过程中的稳定性，防止孔结构被过分破坏。各个组分相互配合，可保证材料力学性能的同时，让材料内部有适当数量且稳定的孔结构。

此外，本发明在用量范围内的组分配合能够保证材料用用预期的性能，超出用量范围则会使相应性能过差。如水泥用量过少会使吸声材料的抗压、抗折强度下降；过多会使吸声材料内气孔(尤其是通孔)变少，导致吸声性能下降。化学发泡剂用量过少会使化学发泡过程不足，无法形成足够的通孔，导致吸声性能下降；用量过多则会使化学发泡过程过于剧烈，过分破坏原有的孔结构，使材料的力学性能大打折扣。

本发明的另一目的是提出一种新型复合发泡石膏吸声材料的制备方法，其步骤简单易操作，可量化生产，易于量产和推广。

实现本发明另一目的的技术方案是：

一种新型复合发泡石膏吸声材料制备方法，包括以下步骤：

S1，将石膏、水泥和稳泡剂粉末混合搅拌1-2min至均匀，制备成混合粉体备用；

S2，将减水剂、缓凝剂、增稠剂和催化剂一起加入到水中，搅拌1-2min至均匀，制备成外加剂溶液；

S3，将步骤S2制得的外加剂溶液加到步骤S1制得的混合粉体中，搅拌1-2min至均匀，制备成浆体A备用；

S4，用发泡机器将物理发泡剂制备成泡沫，并将泡沫加入到步骤S3制得的浆体A中，搅拌1min，制备成浆体B；

S5，将化学发泡剂快速加入到步骤S4制得的浆体B中，搅拌10s，制备成浆体C；

S6，将步骤S5制得的浆体C浇筑到模具中，振捣1-2min，成型24h后脱模并养护，即得到发泡石膏吸声材料。

进一步地，在步骤S4中，用发泡机将物理发泡剂制备成泡沫的过程中，发泡剂与水的质量比为1∶50-1∶300。

本发明的制备方法中，将原材料分为两部分，即分别制备粉体和溶液，可保证所有原材料的充分混合均匀，以及便于控制制备过程和最终吸声材料的质量。另，如果将每种外加剂分别制备溶液再加入水中会使得溶液长时间暴露在空气中，不利于控制水温，影响最终材料的性能，因此，本发明将减水剂、缓凝剂、增稠剂和催化剂一起加入到水中，水温优选30-50℃，以保证材料的性能。此外，将外加剂(减水剂、缓凝剂、稳泡剂和催化剂)的用量相对于石膏和水泥的用量是很小的，如果直接把所有非液体组分先混合，最后再加水，很容易使外加剂形成小颗粒，无法与其他组分充分混合，不利于控制制备过程和最终材料的质量。

步骤S1至步骤S3中的搅拌时间是根据实验得出的较为理想的时间范围，时间过短，各组分无法均匀混合；时间过长则浆体会开始凝固，接下来的加入的发泡的泡沫和化学发泡过程受影响，无法形成足够的孔结构。把搅拌时间控制在1-2min内，一方面能使各组分充分混合，另一方面也可以减少对孔结构的破坏。

在步骤S4中，搅拌时间也是根据大量试验确定，搅拌时间过短，物理发泡的泡沫无法与浆体均匀混合，制备的材料内部孔结构不均匀，影响材料的使用；搅拌时间过长则会过度破坏物理发泡形成的孔结构，使最终的材料内部孔结构减少，影响其吸声性能。用发泡机将物理发泡剂制备成泡沫的过程中，发泡剂与水的质量比为1∶50-1∶300。上述比例是根据大量试验确定的浓度范围，如果物理发泡剂的浓度过低，会导致溺水产生，即在成型过程中，底部会有大量水析出；如果物理发泡剂的浓度过高，则产生的泡沫会过于细小，不利于接下来通孔结构的形成。

本发明中的物理发泡剂是在化学发泡之前加入，目的是先形成封闭的孔结构，为化学发泡过程形成通孔结构做铺垫。先加入物理发泡的泡沫，然后再介入化学发泡剂，让化学发泡剂在已经形成的孔结构中再次发泡，增加孔密度的同时，破坏其原有的闭孔结构，形成部分通孔，改善其吸声性能。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的吸声材料容重低，内部具有高密度的通孔结构，在低频段拥有较高的吸声系数；

2、本发明原材料中使用的石膏，不仅可以采用天然石膏还使用工业副产石膏(如脱硫石膏、磷石膏等)，使用工业副产石膏一方面能有效减少副产石膏堆积和对环境的污染，符合国家节能减排的发展策略；另一方面也能减少石膏矿的开采量，节约资源。

3、本发明中的各个组分相互配合，在保证材料力学性能的同时，还可使材料内部具有适当数量且稳定的孔结构。

4、本发明先利用物理发泡产生多孔结构，在此基础上加入化学发泡剂，让化学发泡剂在已经形成的孔结构中再次发泡，破坏其原有的闭孔结构，形成部分通孔，进一步改善了材料的吸声性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明发泡石膏吸声材料制备方法的一种流程示意图。

图2是本发明实施例1-实施例5中发泡石膏的吸声系数图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

石膏：38.86％；

水泥：16.68％；

水：33.31％；

物理发泡剂：10.55％；

稳泡剂：0.22％；

减水剂：0.08％；

缓凝剂：0.22％；

增稠剂：0.08％。

本实施例中制备得到的发泡石膏吸声材料的容重是744kg/m³。其中，所使用的石膏是脱硫石膏；水泥是强度等级为52.5的白色硅酸盐水泥；物理发泡剂是动物蛋白类发泡剂，其中发泡剂和水的质量比是1:50；增稠剂是羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇。

取上述质量分数比的材料，制备新型复合发泡石膏吸声材料的方法包括以下步骤，具体如图1所示：

S5，将步骤S4制得的浆体B浇筑到模具中，振捣1-2min，成型24h后脱模并养护，即得到发泡石膏吸声材料。

实施例2

石膏：30％；

水泥：20％；

水：35.74％；

物理发泡剂：13.1％；

化学发泡剂：0.55％；

催化剂：0.01％；

稳泡剂：0.22％；

减水剂：0.08％；

缓凝剂：0.22％；

增稠剂：0.08％。

本实施例中制备得到的发泡石膏吸声材料的容重是628kg/m³。其中，所使用的石膏是脱硫石膏；水泥是强度等级为52.5的白色硅酸盐水泥；物理发泡剂是动物蛋白类发泡剂，其中发泡剂和水的质量比是1:50；化学发泡剂是浓度为30％的过氧化氢溶液；增稠剂是羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇。

S1，将石膏、水泥和稳泡剂粉末混合搅45s至均匀，制备成混合粉体备用；

S2，将减水剂、缓凝剂、增稠剂和催化剂一起加入到水中，搅拌1min至均匀，制备成外加剂溶液；

S3，将步骤S2制得的外加剂溶液加到步骤S1制得的混合粉体中，搅拌30s至均匀，制备成浆体A备用；

S6，将步骤S5制得的浆体C浇筑到模具中，振捣1.5min，成型24h后脱模并养护，即得到发泡石膏吸声材料。

实施例3

石膏：40.13％；

水泥：18.16％；

水：25％；

物理发泡剂：15％；

化学发泡剂：1.10％；

催化剂：0.01％；

稳泡剂：0.22％；

减水剂：0.08％；

缓凝剂：0.22％；

增稠剂：0.08％。

本实施例中制备得到的发泡石膏吸声材料的容重是618kg/m³。其中，所使用的石膏是脱硫石膏；水泥是强度等级为52.5的白色硅酸盐水泥；物理发泡剂是动物蛋白类发泡剂，其中发泡剂和水的质量比是1:50；化学发泡剂是浓度为30％的过氧化氢溶液；增稠剂是羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇。

S1，将石膏、水泥和稳泡剂粉末混合搅拌1min至均匀，制备成混合粉体备用；

S2，将减水剂、缓凝剂、增稠剂和催化剂一起加入到水中，搅拌1.5min至均匀，制备成外加剂溶液；

S3，将步骤S2制得的外加剂溶液加到步骤S1制得的混合粉体中，搅拌40s至均匀，制备成浆体A备用；

S6，将步骤S5制得的浆体C浇筑到模具中，振捣1min，成型24h后脱模并养护，即得到发泡石膏吸声材料。

实施例4

石膏：38.27％；

水泥：16.43％；

水：32.77％；

物理发泡剂：10.38％；

化学发泡剂：1.64％；

催化剂：0.01％；

稳泡剂：0.15％；

减水剂：0.05％；

缓凝剂：0.22％；

增稠剂：0.08％。

本实施例中制备得到的发泡石膏吸声材料的容重是603kg/m³。其中，所使用的石膏是脱硫石膏；水泥是强度等级为52.5的白色硅酸盐水泥；物理发泡剂是动物蛋白类发泡剂，其中发泡剂和水的质量比是1:50；化学发泡剂是浓度为30％的过氧化氢溶液；增稠剂是羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇。

S1，将石膏、水泥和稳泡剂粉末混合搅拌2min至均匀，制备成混合粉体备用；

S2，将减水剂、缓凝剂、增稠剂和催化剂一起加入到水中，搅拌50s至均匀，制备成外加剂溶液；

S3，将步骤S2制得的外加剂溶液加到步骤S1制得的混合粉体中，搅拌1.2min至均匀，制备成浆体A备用；

实施例5

石膏：37.89％；

水泥：16.29％；

水：32.47％；

物理发泡剂：10.32％；

化学发泡剂：2.17％；

催化剂：0.01％；

稳泡剂：0.22％；

减水剂：0.08％；

缓凝剂：0.4％；

增稠剂：0.15％。

S1，将石膏、水泥和稳泡剂粉末混合搅拌1.2min至均匀，制备成混合粉体备用；

S2，将减水剂、缓凝剂、增稠剂和催化剂一起加入到水中，搅拌40s至均匀，制备成外加剂溶液；

S3，将步骤S2制得的外加剂溶液加到步骤S1制得的混合粉体中，搅拌1.8min至均匀，制备成浆体A备用；

S6，将步骤S5制得的浆体C浇筑到模具中，振捣1.2min，成型24h后脱模并养护，即得到发泡石膏吸声材料。

不同实施例之间的性能对比说明

对实施例1-实施例5中制备的发泡石膏吸声材料进行性能测试，吸声性能如表1和图2所示，其中，表1为实施例1-实施例5中发泡石膏的降噪系数表，图2为实施例1-实施例5中发泡石膏的吸声系数图。力学性能如表2所示。

表1实施例1-实施例5中发泡石膏的降噪系数(NRC)

通过表1和图2可知，相较于实施例1(仅采用物理发泡的制备工艺)，实施例2-实施例5中化学发泡剂的掺入对发泡石膏在中低频(本次申请中指的中低频，指频率在1000Hz以下的声音)的吸声有较大改善，并显著提高发泡石膏的降噪系数(NRC)，从而改善了发泡石膏吸声材料的吸声性能。

实施例2-实施例5与实施例1相比，在中低频的吸声性能和NRC都有改善，其中实施例3-实施例4组的NRC(降噪系数)最佳。

表2实施例1-实施例5中发泡石膏吸声材料的力学性能

通过表2可知，相较于实施例1(仅采用物理发泡的制备工艺)，实施例2-实施例5加入化学发泡剂显著降低了材料的容重，且随着化学发泡剂用量的增加，材料力学强度没有明显减弱。但实施例5相对于其他实施例的数据差异过大，经过分析认为：实施例1-实施例5中化学发泡剂的量是逐渐增加的，实施例5中化学发泡剂加入的量过多，产生的孔结构过大过多，这些孔在振捣和静置成型过程中发生大量坍塌，导致最终的材料中孔结构反而相对较少，材料也变得更加密实。

同时，结合图2整体来看，实施例2-实施例4在500Hz和1000hHz处的吸声性能是明显优于实施例1；其中实施例3-实施例4组的NRC(降噪系数)最佳。此外，在实施例1-实施例5中，实施例4的容重、强度都对于其他几组都较高，物理性能最佳。因此，结合表1、图2和表2可知，实施例4的吸声材料性能最佳。

需要说明的是，本发明中材料的吸声系数测试依据《GB/T18696.2—2002声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第二部分：传递函数法》测定，降噪系数取250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz频率下的吸声系数平均值，精确到小数点后两位，末位数取0或5。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方法而已，并不用于限制本发明，凡是在本发明的主旨之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型复合发泡石膏吸声材料，其特征在于，包括以下质量百分比的材料：

石膏：30％-50％；

水泥：15％-20％；

水：25％-40％；

物理发泡剂：5％-15％；

化学发泡剂：0％-3％；

催化剂：0％-0.05％；

稳泡剂：0.15％-0.4％；

减水剂：0.05％-0.15％；

缓凝剂：0.1％-0.4％；

增稠剂：0.06％-0.15％。

2.根据权利要求1所述的新型复合发泡石膏吸声材料，其特征在于，包括以下质量百分比的材料：

石膏：35％-45％；

水泥：5％-18％；

水：30％-40％；

物理发泡剂：10％-15％；

化学发泡剂：0.55％-2.5％；

催化剂：0％-0.03％；

稳泡剂：0.2％-0.5％；

减水剂：0.05％-0.15％；

缓凝剂：0.01％-0.25％；

增稠剂：0.07％-0.2％。

3.根据权利要求1所述的新型复合发泡石膏吸声材料，其特征在于，包括以下质量百分比的材料：

石膏：38.23％；

水泥：16.38％；

水：32.77％；

物理发泡剂：10.38％；

化学发泡剂：1.64％；

催化剂：0.01％；

稳泡剂：0.22％；

减水剂：0.08％；

缓凝剂：0.22％；

增稠剂：0.08％。

4.根据权利要求1所述的新型复合发泡石膏吸声材料，其特征在于，所述石膏为天然石膏或工业副产石膏；物理发泡剂为动物蛋白类发泡剂；化学发泡剂为双氧水；稳泡剂选用硬脂酸钙；减水剂为三聚氰胺。

5.根据权利要求1所述的新型复合发泡石膏吸声材料，其特征在于，水泥为铝酸盐水泥或硅酸盐水泥中的一种或两种。

6.根据权利要求1所述的新型复合发泡石膏吸声材料，其特征在于，增稠剂为羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇中的一种或两种。

7.一种制备权利要求1新型复合发泡石膏吸声材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.权利要求7所述的新型复合发泡石膏吸声材料制备方法，其特征在于，在步骤S4中，用发泡机将物理发泡剂制备成泡沫的过程中，发泡剂与水的质量比为1∶50-1∶300。