CN115083378A - 用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料及其制备方法和应用，首先分别制备膨体聚四氟乙烯膜和二氧化硅气凝胶复合材料；然后将二氧化硅气凝胶复合材料成型模切，用膨体聚四氟乙烯膜封装，将吸音棉一并封装在二氧化硅气凝胶复合材料和膨体聚四氟乙烯膜之间；再将带离型纸层防护的阻尼胶层粘结在二氧化硅气凝胶复合材料的另一侧；多层气凝胶组合材料包括依次粘结堆叠的膨体聚四氟乙烯膜层、吸音棉层、气凝胶复合材料层、阻尼胶层和离型纸层，可用于弹性体工程装备的薄壁弹性体结构。通过上述方式，本发明能够对弹性体工程装备的噪声进行综合治理，从而提高其内部乘员的舒适性、健康和装备的寿命及低探测性的生存能力。

Description

用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料及其 制备方法和应用

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料及其制备方法和应用。

背景技术

现代的船舶、飞机、高铁动车组车厢等多是薄壁弹性体结构的工程装备，这些弹性体工程装备多有共同的弱点——自身的振动、外部环境的载荷（风/海浪/流体等摩擦阻力）均能产生巨大的噪声能量，这些噪声能量使得船舶、飞机、高铁动车组车厢等内部的乘员容易疲劳，有损健康，同样也造成了船舶、飞机、高铁动车组车厢等振动疲劳断裂或被容易探测而被敌对方攻击。

噪声对人体的危害是全身性的，既可以引起听觉系统的变化，也可以对非听觉系统产生影响：这些影响的早期主要是生理性改变，长期接触比较强烈的噪声还会引起病理性改变。

目前用于解决噪声污染的多孔吸声材料主要有聚氨酯复合材料和多孔纤维，它们致力于在较宽的频率范围内实现良好的降噪效果。然而，传统的多孔吸声材料因其多功能和高能效的要求而面临着无法弥补的缺陷。究其原因，无非是传统吸声材料内部微观结构难以通过宏观操作精确控制，导致传质能力差，能量转换效率低。

在国内，气凝胶已被应用在嫦娥飞船、卫星、火箭、导弹、战机、军车的重要零部件的隔热保温，特别是航天军工驾驶室或指挥室需要隔热、隔音、降噪，但是对于船舶、飞机、高铁动车组车厢等这类薄壁弹性体结构的工程装备，目前还没有应用气凝胶隔音降噪。而且仅用气凝胶单一材料，在复杂的弹性体工程装备方面显然是不够的，必须综合治理才能达成弹性体工程装备低噪声的效果。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料及其制备方法和应用，由降低弹性体工程装备振动的阻尼胶层、具有低声速强隔音的气凝胶复合材料层、强吸声的ePTFE膜微孔全频吸音棉材料等组成，能够对弹性体工程装备的噪声进行综合治理，从而提高其内部乘员的舒适性、健康和装备的寿命及低探测性的生存能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的制备方法，首先，分别制备膨体聚四氟乙烯膜和二氧化硅气凝胶复合材料；然后，将二氧化硅气凝胶复合材料成型模切，并用膨体聚四氟乙烯膜封装，封装时将吸音棉一并封装在二氧化硅气凝胶复合材料和膨体聚四氟乙烯膜之间；再将带离型纸层防护的阻尼胶层粘结在二氧化硅气凝胶复合材料的另一侧，轻压一段时间，再检验、包装、交付使用。

在本发明一个较佳实施例中，将聚四氟乙烯分散树脂与液体助挤剂及染色剂按比例混合，保温32℃熟成，予压成柱体毛坯，通过压延法将柱体毛坯制成薄片，经加热脱去助挤剂、单向拉伸、双向拉伸、热定型、冷却和收卷制成膨体聚四氟乙烯膜。

在本发明一个较佳实施例中，将硅烷在酒精水中水解制得硅溶胶，硅溶胶中添加碱性催化剂搅拌得到二氧化硅溶胶，将玻纤毡浸渍于二氧化硅溶胶，将浸渍二氧化硅溶胶的玻纤毡进行凝胶陈化老练得二氧化硅凝胶复合材料，用溶剂对陈化后的二氧化硅凝胶复合材料完全浸渍进行溶剂置换，再采用CO₂超临界干燥方式进行超临界干燥，完全干燥后制得隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料。

在本发明一个较佳实施例中，所述将吸音棉层粘结在膨体聚四氟乙烯膜层的其中一侧制成了强吸声的全频吸音棉层。

在本发明一个较佳实施例中，带离型纸层防护的阻尼层、二氧化硅气凝胶复合材料和全频吸音棉层是通过压敏胶层进行逐一粘结堆叠。

在本发明一个较佳实施例中，隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料的密度小于300Kg/m³；隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料为2mm厚度时，各频率点的隔声分贝如下：50Hz~200Hz，隔声量大于6dB；630Hz~6300Hz，隔声量大于11dB；隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料的阻燃UL94为V0级。

在本发明一个较佳实施例中，隔音消声的多层气凝胶组合材料的常温导热系数小于0.02w/m.k。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合结构，包括：

全频吸音棉层，该全频吸音棉层由膨体聚四氟乙烯膜层贴合连接在吸音棉层的其中一侧面形成；

气凝胶复合材料层，该气凝胶复合材料层贴合连接在吸音棉层的另一侧面；

阻尼胶层，该阻尼胶层贴合连接在气凝胶复合材料层的另一侧面；

离型纸层，该离型纸层贴合覆盖住阻尼胶层的另一侧面。

在本发明一个较佳实施例中，组合结构的形状可为扁薄的圆柱状、长方体状或与异形体状。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的应用，该组合材料应用于弹性体工程装备，包括：柴油机、发电机、电机、内燃机、冷冻机、空压机、飞机、火车、汽车、船舶、锅炉、锻锤设备、风机等薄壁弹性体结构上。

本发明的有益效果是：吸声性能好，声学性能稳定、无污染、质轻、美观、防火、隔热保温、不怕水、物理性能好、易加工，用它做成各种形式的吸声体、消声器、隔声结构、声屏障、消音房、隔声罩等，可直接面对噪声源，不需要任何防护面板及其他的吸声填料；

具有优良的声学性能：平均吸声系数≥0.80(125-4000Hz频率范围)，同时具有喷水及喷灰后吸声性能不改变的优良声学性能；

气凝胶隔音吸声材料是高纯度二氧化硅材质，是大自然最亲近材料，不对环境造成二次污染；

气凝胶隔音吸声材料具有防火不燃性、耐候性、耐蚀性、抗老化性、经得起风吹、雨打、日晒，属A级不燃产品；

气凝胶隔音吸声材料可锯、可任意粘结、铆接、插接，安装方便；

气凝胶隔音吸声材料既可以做成各种形式的吸声体，又可组合成各种形式的吸声、隔声体；

气凝胶隔音吸声材料在柴油机、发电机、电机、内燃机、冷冻机、空压机、飞机、火车、汽车、船舶、锅炉、锻锤设备、风机等设备，可进行吸声、隔声、消声作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料一较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明中二氧化硅气凝胶毡的隔声曲线图；

图3是本发明隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料微孔电子扫描显微镜图；

附图中各部件的标记如下：100、膨体聚四氟乙烯膜层，200、吸音棉层，300、气凝胶复合材料层，400、阻尼胶层，500、离型纸层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1至图3，本发明实施例包括：

一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合结构，包括：全频吸音棉层、气凝胶复合材料层300、阻尼胶层400和离型纸层500，全频吸音棉层由膨体聚四氟乙烯膜层100贴合连接在吸音棉层200的其中一侧面形成，气凝胶复合材料层300贴合连接在吸音棉层200相对的另一侧面，该阻尼胶层400贴合连接在气凝胶复合材料层300的另一侧面，离型纸层500贴合覆盖住阻尼胶层400的另一侧面。

膨体聚四氟乙烯膜制造的核心是：将聚四氟乙烯分散树脂与液体助挤剂及染色剂按比例混合，保温32℃熟成，予压成柱体毛坯，通过压延法将柱体毛坯制成薄片，经加热脱去助挤剂、单向拉伸、双向拉伸、热定型、冷却和收卷制成膨体聚四氟乙烯微孔薄膜。

隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料的制造流程是：将硅烷在酒精水中水解制得硅溶胶，硅溶胶中添加碱性催化剂搅拌得到二氧化硅溶胶，将玻纤毡浸渍于二氧化硅溶胶，将浸渍二氧化硅溶胶的玻纤毡进行凝胶陈化老练得二氧化硅凝胶复合材料，用溶剂对陈化后的二氧化硅凝胶复合材料完全浸渍进行溶剂置换，再采用CO₂超临界干燥方式进行超临界干燥，完全干燥后制得。

本发明中，带离型纸层500防护的阻尼层400、二氧化硅气凝胶复合材料层300和全频吸音棉层是通过压敏胶层进行逐一粘结堆叠。其中，所述离型纸层500为PET防粘纸，在使用前用PET防粘纸来保护该隔音消声的多层气凝胶组合结构，既方便了大批量制造，又便于贮存运输和客户使用。

本发明中，组合结构可以有各种形状，与实际的应用场合相适配，可以为扁薄的圆柱状、长方体状或与异形体状等。

本发明还涉及用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的制备方法：

首先，分别制备膨体聚四氟乙烯膜和二氧化硅气凝胶复合材料；然后，将二氧化硅气凝胶复合材料成型模切，并用膨体聚四氟乙烯膜封装，封装时将吸音棉一并封装在二氧化硅气凝胶复合材料和膨体聚四氟乙烯膜之间；再将带离型纸层防护的阻尼胶层粘结在二氧化硅气凝胶复合材料的另一侧，轻压一段时间，再检验、包装、交付使用。

具体为：

a、制备膨体聚四氟乙烯膜：

将聚四氟乙烯分散树脂与液体助挤剂及染色剂按比例混合，保温32℃熟成，予压成柱体毛坯，通过压延法将柱体毛坯制成薄片，经加热脱去助挤剂、单向拉伸、双向拉伸、热定型、冷却和收卷，得到膨体聚四氟乙烯微孔薄膜，然后转入下道工序。

b、二氧化硅气凝胶复合材料的制备：

将硅烷在酒精水中水解制得硅溶胶，硅溶胶中添加碱性催化剂搅拌得到二氧化硅溶胶，将玻纤毡浸渍于二氧化硅溶胶，将浸渍二氧化硅溶胶的玻纤毡进行凝胶陈化老练得二氧化硅凝胶复合材料，用溶剂对陈化后的二氧化硅凝胶复合材料完全浸渍进行溶剂置换，再采用CO₂超临界干燥方式进行超临界干燥，完全干燥后制得隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料。

c、隔声兼具强降噪的二氧化硅气凝胶复合材料的制备：

将步骤b中制得的隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料成型模切，并与吸音棉层粘接，然后用步骤a中的膨体聚四氟乙烯膜进行封装，封装时将吸音棉一并封装在二氧化硅气凝胶复合材料和膨体聚四氟乙烯膜之间，然后检测、包装。

d、隔音消声的多层气凝胶组合材料的堆叠：

带离型纸层防护的阻尼胶层、封装在一起的二氧化硅气凝胶复合材料层、吸音棉层和聚四氟乙烯膜层采用压敏胶逐一粘结堆叠，然后轻压10min，再检验、包装、交付工程使用。

本发明中能够隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料层在隔音方面的试验数据如下：

1、隔声测试标准：参考GBT 18696.2-2002 声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分传递函数法；

测试描述：

a）样品尺寸φ100mm 、φ30mm由4mm厚度平板叠加；

b）φ100mm测试频率50hz-1600hz；φ30mm测试频率800hz-6300hz；

c) 分别测试厚度为：2/2+2/4/8/12/16/20/24/28/30mm（由2mm或4mm厚度平板叠加）样品数量：20pcs；

2、隔声测试结果：90dB的标准噪声源被二氧化硅气凝胶毡薄平板隔声后隔离的声音值如下表：

由于二氧化硅气凝胶的低声速特性，它是一种理想的声学延迟或耐高温的隔音材料。二氧化硅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900~1000m2/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。

二氧化硅气凝胶玻纤毡是舰船内吸声隔音降噪的理想材料，另外气凝胶热稳定性非常好，耐腐蚀，且经过表面处理的气凝胶疏水，这使其在极端高温及恶劣腐蚀环境下仍具有良好的吸隔声性能。

本发明是由降低弹性体工程装备振动的阻尼胶层、具有低声速强隔音的二氧化硅气凝胶复合材料层、强吸声的膨体聚四氟乙烯膜微孔全频吸音棉材料等组成，通过上述制备方法已达成了如下的技术指标：

多层气凝胶组合材料的常温导热系数小于0.02w/m.k；隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料的密度小于300Kg/m³；隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料为2mm厚度时，各频率点的隔声分贝如下：50Hz~200Hz，隔声量大于6dB；630Hz~6300Hz，隔声量大于11dB；隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料的阻燃UL94为V0级。

本发明还涉及用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的应用，该组合材料应用于弹性体工程装备，包括柴油机、发电机、电机、内燃机、冷冻机、空压机、飞机、火车、汽车、船舶、锅炉、锻锤设备、风机等设备等薄壁弹性体结构上。

本发明利用气凝胶隔热、疏水、阻燃等优异性能，在声学应用领域寻求突破，由于气凝胶绝热毡具有优异的保温性能、疏水性能、阻燃性能，气凝胶降噪隔音板兼具了优秀的保温性能、疏水自洁性能与阻燃性能。气凝胶隔音吸声材料的创新体现在如下几点：

吸声性能好，声学性能稳定、无污染、质轻、美观、防火、隔热保温、不怕水、物理性能好、易加工，用它做成各种形式的吸声体、消声器、隔声结构、声屏障、消音房、隔声罩等，可直接面对噪声源，不需要任何防护面板及其他的吸声填料；

具有优良的声学性能：平均吸声系数≥0.80(125-4000Hz频率范围)，同时具有喷水及喷灰后吸声性能不改变的优良声学性能；

气凝胶隔音吸声材料是高纯度二氧化硅材质，是大自然最亲近材料，不对环境造成二次污染；

气凝胶隔音吸声材料具有防火不燃性、耐候性、耐蚀性、抗老化性、经得起风吹、雨打、日晒，属A级不燃产品；

气凝胶隔音吸声材料可锯、可任意粘结、铆接、插接，安装方便；

气凝胶隔音吸声材料既可以做成各种形式的吸声体，又可组合成各种形式的吸声、隔声体；

气凝胶隔音吸声材料在柴油机、发电机、电机、内燃机、冷冻机、空压机、飞机、火车、汽车、船舶、锅炉、锻锤设备、风机等设备，可进行吸声、隔声、消声作用。

用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料及其制备方法和应用的有益效果是：

由降低弹性体工程装备振动的阻尼胶层、具有低声速强隔音的气凝胶复合材料层、强吸声的ePTFE膜微孔全频吸音棉材料等组成，对弹性体工程装备的噪声进行综合治理，从而提高其内部乘员的舒适性、健康和装备的寿命及低探测性的生存能力。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的制备方法，其特征在于，

首先，分别制备膨体聚四氟乙烯膜和二氧化硅气凝胶复合材料；

然后，将二氧化硅气凝胶复合材料成型模切，并用膨体聚四氟乙烯膜封装，封装时将吸音棉一并封装在二氧化硅气凝胶复合材料和膨体聚四氟乙烯膜之间；

再将带离型纸层防护的阻尼胶层粘结在二氧化硅气凝胶复合材料的另一侧，轻压一段时间，再检验、包装、交付使用。

2.根据权利要求1所述的用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的制备方法，其特征在于，将聚四氟乙烯分散树脂与液体助挤剂及染色剂按比例混合，保温32℃熟成，予压成柱体毛坯，通过压延法将柱体毛坯制成薄片，经加热脱去助挤剂、单向拉伸、双向拉伸、热定型、冷却和收卷制成膨体聚四氟乙烯膜。

3.根据权利要求1所述的用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的制备方法，其特征在于，将硅烷在酒精水中水解制得硅溶胶，硅溶胶中添加碱性催化剂搅拌得到二氧化硅溶胶，将玻纤毡浸渍于二氧化硅溶胶，将浸渍二氧化硅溶胶的玻纤毡进行凝胶陈化老练得二氧化硅凝胶复合材料，用溶剂对陈化后的二氧化硅凝胶复合材料完全浸渍进行溶剂置换，再采用CO₂超临界干燥方式进行超临界干燥，完全干燥后制得隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料。

4.根据权利要求1所述的用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的制备方法，其特征在于，所述将吸音棉层粘结在膨体聚四氟乙烯膜层的其中一侧制成了强吸声的全频吸音棉层。

5.根据权利要求4所述的用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的制备方法，其特征在于，带离型纸层防护的阻尼层、二氧化硅气凝胶复合材料和全频吸音棉层是通过压敏胶层进行逐一粘结堆叠。

6.根据权利要求3所述的用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的制备方法，其特征在于，

隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料的密度小于300Kg/m³；

隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料为2mm厚度时，各频率点的隔声分贝如下：50Hz~200Hz，隔声量大于6dB；630Hz~6300Hz，隔声量大于11dB；

隔绝噪声的二氧化硅气凝胶复合材料的阻燃UL94为V0级。

7.根据权利要求3所述的用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的制备方法，其特征在于，隔音消声的多层气凝胶组合材料的常温导热系数小于0.02w/m.k。

8.一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料，其特征在于，根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备而成，包括：

全频吸音棉层，该全频吸音棉层由膨体聚四氟乙烯膜层贴合连接在吸音棉层的其中一侧面形成；

气凝胶复合材料层，该气凝胶复合材料层贴合连接在吸音棉层的另一侧面；

阻尼胶层，该阻尼胶层贴合连接在气凝胶复合材料层的另一侧面；

离型纸层，该离型纸层贴合覆盖住阻尼胶层的另一侧面。

9.根据权利要求8所述的用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料，其特征在于，组合结构的形状可为扁薄的圆柱状、长方体状或与异形体状。

10.一种用于弹性体工程装备的隔音消声的多层气凝胶组合材料的应用，其特征在于，该组合材料应用于弹性体工程装备，包括：柴油机、发电机、电机、内燃机、冷冻机、空压机、飞机、火车、汽车、船舶、锅炉、锻锤设备、风机等薄壁弹性体结构上。

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