CN117107934B - 一种双孔隙吸声增强复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双孔隙吸声增强复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域，该复合材料包括纤维多孔材料和多孔颗粒材料，所述多孔颗粒材料负载在所述纤维多孔材料的孔隙中；所述纤维多孔材料的孔隙率为50%‑95%，所述多孔颗粒材料的孔隙率为40%‑76%，且所述多孔颗粒材料孔隙率与纤维多孔材料的孔隙率之比为4:5‑7；该复合材料利用纤维多孔材料与多孔颗粒材料具有的两种不同孔隙系统，形成迷宫效应和声波共振效应。迷宫效应能够更好的实现对高频声波能量的消耗，共振效应能够显著提高对低频声波能量的消耗效果。两种吸声机制的共同作用使复合材料的吸声性能得到了显著的提高，对吸声材料吸声效果的提高和应用范围的扩大具有积极作用。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及吸音材料领域，特别涉及一种双孔隙吸声增强复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
在现代社会，噪声污染已成为人们生活中不可忽视的问题。随着城市化的不断发展和交通工具的普及，人们在日常生活中经常受到各种噪声的干扰，这对身体健康和心理健康都带来了潜在的威胁。因此，室内环境的声学设计变得至关重要，以确保人们能够在相对安静的环境中生活和工作。
吸声材料是实现这一目标的核心组成部分，它们可以有效地减少声音的反射、传播和共鸣，提供更加宁静和舒适的室内氛围。吸声材料的性能直接影响着室内声学环境的质量。在过去的几十年里，吸声材料的研究和应用取得了显著的进展，为减少噪声污染、提高声学舒适性以及满足可持续建筑要求提供了关键支持。
然而，当前的研究现状表明，传统吸声材料如玻璃棉板在吸声性能方面往往表现不佳。它们的吸音系数有限，难以有效地吸收低频声音，而这些低频声音在许多应用中占据主导地位，如音乐厅中的低音音符或工业设备的低频噪声。
因此，提高吸声材料的吸声性能，尤其是对低频噪音的吸收，是当前研究的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有吸声材料存在对低频噪音的吸收效果差的问题，提出了一种双孔隙吸声增强复合材料及其制备方法和应用。该复合材料利用纤维多孔材料与多孔颗粒材料具有的两种不同孔隙系统，形成迷宫效应和声波共振效应。迷宫效应能够更好的实现对高频声波能量的消耗，共振效应能够显著提高对低频声波能量的消耗效果。两种吸声机制的共同作用使复合材料的吸声性能得到了显著的提高，对吸声材料吸声效果的提高和应用范围的扩大具有积极作用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种双孔隙吸声增强复合材料，包括纤维多孔材料和多孔颗粒材料，所述多孔颗粒材料负载在所述纤维多孔材料的孔隙中；所述纤维多孔材料的孔隙率为50%-95%，所述多孔颗粒材料的孔隙率为40%-76%，且所述多孔颗粒材料孔隙率与纤维多孔材料的孔隙率之比为4:5-7。
本发明中的一种双孔隙吸声增强复合材料，通过在纤维多孔材料中加入多孔结构的颗粒材料，从而使纤维多孔材料中的孔隙与多孔颗粒材料中的孔隙相互配合形成两种不同的孔隙系统，并且因孔隙率的不同，导致迷宫结构的形成和共振效应的出现。
对于中高频段的声波，材料能借助迷宫结构增加声波与空气的摩擦距离，从而增加了将声波能量转换为热能的量，实现对中高频声波能量的更多消耗；当低频波段声波传入复合材料中时，能够使两种孔隙中的低频声波发生耦合、产生共振现象，能更快的消耗掉低频段的声波能量，从而实现对低频声波吸声效果的显著提高。
本发明双孔隙吸声增强复合材料综合两种能量耗散机制显著提高了对全波段声波的吸收效果；该复合材料能够实现在不增加复合材料厚度的情况下，更好的实现对全波段的吸音效果，尤其是对低频段声波的吸声效果显著提高，适合在更多领域中大规模应用。
其中，优选的，所述纤维多孔材料为含有玻璃纤维和/或玄武岩纤维的棉板、含有玻璃纤维和/或玄武岩纤维的棉毡中的至少一种；优选的纤维多孔材料具有更好的吸音效果和更低的成本，实用性更好；更优选的，所述纤维多孔材料为玻璃棉板。
其中，优选的，所述多孔颗粒材料为膨胀珍珠岩、多孔陶瓷渣、多孔火山石、多孔氧化铝、多孔碳酸钙、玻化微珠、膨胀蛭石中的至少一种；优选的多孔颗粒材料具有更高的孔隙率和更低的成本，实用性更好，吸音效果更好；更优选的，所述多孔颗粒材料为膨胀珍珠岩。
其中，优选的，所述复合材料中，多孔颗粒材料与纤维多孔材料的质量比为0.01-1:1；更优选的，所述复合材料中，多孔颗粒材料与纤维多孔材料的质量比为0.1-0.5:1；优选的质量比，复合材料的吸声效果更好。
其中，优选的，所述纤维多孔材料的孔径与多孔颗粒材料的粒径之比为1:0.2-0.8；更优选的，所述纤维多孔材料的孔径与多孔颗粒材料的粒径之比为1:0.4-0.5；通过控制纤维多孔材料的孔径与多孔颗粒材料粒径之比，能够控制复合材料中纤维之间剩余的孔隙大小，该孔隙也是组成迷宫结构的两种孔隙系统之一，是影响声波能量消耗速度的主要因素之一，因此，通过优选其比值，能使形成的迷宫结构对声波能量的消耗速度更快，尤其是能更好的实现低频声波的耦合、共振效果，显著提高对低频声波的吸收效果。
其中，优选的，所述多孔颗粒材料的粒径为0.01-1mm；更优选的，所述多孔颗粒材料的粒径为0.1-0.5mm；多孔颗粒的粒径不仅影响复合材料的孔隙率，更影响多孔颗粒材料上的孔径的大小，因此，选择合理的多孔颗粒材料粒径，能使复合材料中形成的迷宫结构具有更好的吸声效果，从而能使复合材料具有更好的吸声效果。
其中，优选的，所述多孔颗粒材料上的孔径为2-10μm；更优选的，所述多孔颗粒材料上的孔径为4-6μm；多孔颗粒材料上的孔洞是组成迷宫结构的两种孔隙系统之一，是影响声波能量消耗速度的主要因素之一，孔径太小，声波无法进入孔洞内，导致其无法对声波能量实现有效的耗散，对声波的吸收效果降低，更不能实现低频声波的耦合、共振效果，对低频声波的吸收效果显著降低。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种双孔隙吸声增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备纤维的同时将多孔颗粒材料利用粘结剂负载到纤维材料上；
（2）将负载有多孔颗粒材料的纤维热压制成双孔隙吸声增强复合材料。
优选的，所述的粘结剂包括聚乙烯醇水溶液、聚乙烯基吡咯烷酮水溶液、聚丙烯酸水溶液、改性纤维素水溶液、聚丙烯酸酯乳液、聚苯乙烯-丙烯酸酯乳液中的至少一种。
优选的，所述粘结剂的固含量为30%-80%；更优选，固含量为50%。
其中，优选的，所述双孔隙吸声增强复合材料制备方法的具体方法为：在制备纤维的同时将多孔颗粒材料与粘结剂的混合物喷洒在纤维上；然后进行热压固化，得到双孔隙吸声增强复合材料。
优选的，所述的热压固化的压力为1-10 MPa；更优选的，热压固化的压力为5MPa。
优选的，热压固化的温度为150-250 ℃；更优选的，热压固化的温度为200 ℃。
优选的，热压固化的时间为5-10min；更优选的，热压固化的时间为10min。
为了实现上述发明目的，更进一步的，本发明提供了一种双孔隙吸声增强复合材料的应用，所述双孔隙吸声增强复合材料在全波段吸声材料中的应用。
优选的，所述双孔隙吸声增强复合材料在低频波段吸声材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明双孔隙吸声增强复合材料中，利用多孔颗粒材料与纤维多孔材料的两种不同孔隙系统形成了迷宫结构，增加了声波与空气的摩擦距离，从而增加将声波能量转换为热能的量，实现对中高频声波能量的更多消耗，显著提高了对全波段声波的吸收效果。
2、本发明双孔隙吸声增强复合材料中，利用多孔颗粒材料与纤维多孔材料的两种不同孔隙系统，使低频声波两种孔隙中发生耦合、产生共振现象，能更快的消耗掉低频段的声波能量，从而实现对低频声波吸声效果的显著提高。
3、本发明双孔隙吸声增强复合材料的制备方法简单可靠，适合双孔隙吸声增强复合材料的工业化生产。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种双孔隙吸声增强复合材料，由玻璃纤维棉（纤维多孔材料）和膨胀珍珠岩（多孔颗粒材料）组成，膨胀珍珠岩负载在玻璃纤维棉的孔隙中；膨胀珍珠岩与玻璃纤维棉的质量比为0.5:1；
玻璃纤维棉的孔隙率为87.5%，孔径为0.5mm；
膨胀珍珠岩的孔隙率为65%，粒径为0.25mm，孔径为5μm；
复合材料板的容重按照100kg/m3，板厚20mm制备。
具体制备方法为：
（1）将玻璃原材料熔融后拉丝成玻璃纤维的同时将质量比为2:1的膨胀珍珠岩与粘结剂（固含量50%的聚丙烯酸酯乳液）混合均匀后，喷洒在玻璃纤维上；
（2）将玻璃纤维进行热压固化（固化压力为5MPa，固化温度为200 ℃，固化时间为10min），得到双孔隙吸声增强复合材料。
实施例2-8
实施例2-8是采用不同类型原材料参照实施例1的方法制备得到的吸声材料，原材料的参数不变，仅改变原材料的类型，具体原材料类型如表1所示；
表1 实施例2-5的原材料组成列表
| 序号 | 纤维多孔材料 | 多孔颗粒材料 |
| 实施例2 | 玻璃纤维毛毡 | 膨胀珍珠岩 |
| 实施例3 | 玄武岩纤维棉 | 膨胀珍珠岩 |
| 实施例4 | 玻璃纤维和玄武岩纤维混纺棉（1:1） | 膨胀珍珠岩 |
| 实施例5 | 玻璃纤维棉 | 多孔陶瓷渣 |
| 实施例6 | 玄武岩纤维棉 | 多孔氧化铝 |
| 实施例7 | 玻璃纤维毛毡 | 无 |
| 实施例8 | 无 | 膨胀珍珠岩 |
实施例9
一种吸声材料，由2层玻璃纤维棉（纤维多孔材料）层和膨胀珍珠岩（多孔颗粒材料）层组成，膨胀珍珠岩层设置在2层玻璃纤维棉层之间；膨胀珍珠岩与玻璃纤维棉的质量比为0.5:1；玻璃纤维棉的孔隙率为67.5%，孔径为0.5mm；膨胀珍珠岩的孔隙率为45%，粒径为0.25mm，孔径为5μm；每层玻璃纤维棉层厚度为7.5mm，膨胀珍珠岩层厚度为5mm。
吸声系数（NRC）检测：采用国标GBJ47-1983混响室法测量实施例1-9中的吸声材料的吸声系数，低频波段为20-160Hz，中频波段为160-2500Hz，高频波段为2500-6000Hz。在工程上通常采用125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz六个频率吸声系数的算术平均值表示材料的平均吸声系数，用NRC表示。具体测量结果如表2：
表2 实施例1-9中吸声材料的吸声系数
| 序号 | 125Hz | 250Hz | 500Hz | 1000Hz | 2000Hz | 4000Hz | NRC |
| 实施例1 | 0.56 | 0.62 | 0.73 | 0.78 | 0.84 | 0.92 | 0.742 |
| 实施例2 | 0.54 | 0.60 | 0.71 | 0.79 | 0.83 | 0.94 | 0.735 |
| 实施例3 | 0.55 | 0.63 | 0.70 | 0.79 | 0.86 | 0.93 | 0.743 |
| 实施例4 | 0.53 | 0.62 | 0.72 | 0.78 | 0.85 | 0.93 | 0.738 |
| 实施例5 | 0.55 | 0.63 | 0.74 | 0.76 | 0.85 | 0.95 | 0.747 |
| 实施例6 | 0.58 | 0.64 | 0.74 | 0.77 | 0.82 | 0.91 | 0.743 |
| 实施例7 | 0.21 | 0.29 | 0.36 | 0.42 | 0.56 | 0.62 | 0.410 |
| 实施例8 | 0.09 | 0.14 | 0.22 | 0.29 | 0.35 | 0.47 | 0.260 |
| 实施例9 | 0.26 | 0.43 | 0.55 | 0.60 | 0.77 | 0.86 | 0.578 |
分析测试结果可知，本发明将多孔颗粒材料负载在纤维多孔材料的孔隙中，使多孔颗粒材料与纤维多孔材料的两种不同孔隙系统形成了迷宫结构与双孔隙共振效应，能显著的提高吸声效果。
实施例10-13
实施例10-13中的吸声材料参照实施例1的方法制备得到，不同之处仅在于，纤维多孔材料与多孔颗粒材料的孔隙率不同，具体孔隙率情况参见表3。
表3 实施例10-14中纤维多孔材料与多孔颗粒材料的孔隙率
| 序号 | 玻璃纤维棉孔隙率 | 膨胀珍珠岩孔隙率 | 孔隙率之比 |
| 实施例10 | 87.5% | 87.5% | 4:4 |
| 实施例11 | 87.5% | 70% | 5:4 |
| 实施例12 | 87.5% | 50% | 7:4 |
| 实施例13 | 87.5% | 43.75% | 8:4 |
吸声系数检测：采用国标GBJ47-1983混响室法测量实施例10-13中的吸声材料的吸声系数，具体测量结果如表4。
表4 实施例10-13中吸声材料的吸声系数
| 序号 | 125Hz | 250Hz | 500Hz | 1000Hz | 2000Hz | 4000Hz | NRC |
| 实施例10 | 0.35 | 0.49 | 0.52 | 0.67 | 0.79 | 0.82 | 0.607 |
| 实施例11 | 0.55 | 0.69 | 0.72 | 0.77 | 0.86 | 0.96 | 0.758 |
| 实施例12 | 0.59 | 0.72 | 0.75 | 0.78 | 0.88 | 0.97 | 0.782 |
| 实施例13 | 0.37 | 0.41 | 0.49 | 0.68 | 0.75 | 0.80 | 0.583 |
分析测试结果可知，本发明复合材料中多孔颗粒材料与纤维多孔材料孔隙率影响吸声效果，在本发明限定的孔隙率比值范围内，吸声材料的吸声效果显著提高，孔隙率比值过高或过低都将影响材料的吸声效果。
实施例14-18
实施例14-18中的吸声材料参照实施例1的方法制备得到，不同之处仅在于，纤维多孔材料的孔径与多孔颗粒材料的粒径选择不同，具体情况参见表5。
表5 实施例14-18中纤维多孔材料的孔径与多孔颗粒材料的粒径
| 序号 | 玻璃纤维棉孔径（mm） | 膨胀珍珠岩粒径（mm） | 比值 |
| 实施例14 | 0.5 | 0.05 | 1:0.1 |
| 实施例15 | 0.5 | 0.1 | 1:0.2 |
| 实施例16 | 0.5 | 0.2 | 1:0.4 |
| 实施例17 | 0.5 | 0.4 | 1:0.8 |
| 实施例18 | 0.5 | 0.45 | 1:0.9 |
吸声系数检测：采用国标GBJ47-1983混响室法测量实施例14-18中的吸声材料的吸声系数，具体测量结果如表6。
表6 实施例14-18中吸声材料的吸声系数
| 序号 | 125Hz | 250Hz | 500Hz | 1000Hz | 2000Hz | 4000Hz | NRC |
| 实施例14 | 0.34 | 0.47 | 0.57 | 0.68 | 0.79 | 0.86 | 0.618 |
| 实施例15 | 0.49 | 0.61 | 0.69 | 0.69 | 0.81 | 0.88 | 0.695 |
| 实施例16 | 0.59 | 0.75 | 0.77 | 0.79 | 0.89 | 0.96 | 0.792 |
| 实施例17 | 0.43 | 0.59 | 0.66 | 0.69 | 0.85 | 0.88 | 0.683 |
| 实施例18 | 0.27 | 0.44 | 0.49 | 0.59 | 0.69 | 0.77 | 0.542 |
分析测试结果可知，本发明复合材料的吸声效果随着多孔材料粒径的增加呈现先增加后降低的趋势，其中主要原因是随着玻璃纤维板中的孔隙孔径在一定范围内减小，声波在两种孔隙之间中的共振效果增强，但是随着粒径的增大，多孔颗粒堵住了大部分的玻璃纤维板中的孔隙，导致共振效果减弱。因此，在本发明限定的纤维多孔材料的孔径与多孔颗粒材料的粒径比值范围内，吸声材料的吸声效果显著提高。
实施例19-24
实施例19-24中的吸声材料参照实施例1的方法制备得到，不同之处仅在于，多孔颗粒材料的孔径不同，具体情况参见表7。
表7 实施例19-24中多孔颗粒材料的孔径
| 序号 | 膨胀珍珠岩孔径（μm） |
| 实施例19 | 1 |
| 实施例20 | 2 |
| 实施例21 | 4 |
| 实施例22 | 6 |
| 实施例23 | 10 |
| 实施例24 | 20 |
吸声系数检测：采用国标GBJ47-1983混响室法测量实施例19-24中的吸声材料的吸声系数，具体测量结果如表8：
表8 实施例19-23中吸声材料的吸声系数
| 序号 | 125Hz | 250Hz | 500Hz | 1000Hz | 2000Hz | 4000Hz | NRC |
| 实施例19 | 0.23 | 0.29 | 0.37 | 0.44 | 0.58 | 0.62 | 0.422 |
| 实施例20 | 0.43 | 0.63 | 0.72 | 0.73 | 0.82 | 0.91 | 0.706 |
| 实施例21 | 0.56 | 0.76 | 0.79 | 0.79 | 0.89 | 0.98 | 0.795 |
| 实施例22 | 0.54 | 0.73 | 0.76 | 0.79 | 0.85 | 0.94 | 0.768 |
| 实施例23 | 0.40 | 0.59 | 0.69 | 0.70 | 0.86 | 0.90 | 0.690 |
| 实施例24 | 0.25 | 0.46 | 0.59 | 0.61 | 0.69 | 0.82 | 0.570 |
分析测试结果可知，本发明复合材料的吸声效果随着多孔颗粒材料的孔径呈先增大后降低的趋势，只有当多孔材料的孔径在本发明限定的范围内时，复合材料才拥有更好的吸音效果。其中主要原因为当孔径较小时，声波无法进入多孔颗粒内部，无法与玻璃纤维的孔隙中的声波形成共振；当孔径较大时，声波也无法与玻璃纤维孔径中的声波形成有效共振，削弱低频波段的声波能量。
Claims (7)
1.一种双孔隙吸声增强复合材料，其特征在于，包括纤维多孔材料和多孔颗粒材料，所述多孔颗粒材料负载在所述纤维多孔材料的孔隙中；所述纤维多孔材料的孔隙率为50%-95%，所述多孔颗粒材料的孔隙率为40%-76%，且所述多孔颗粒材料孔隙率与纤维多孔材料的孔隙率之比为4:5-7；所述纤维多孔材料的孔径与多孔颗粒材料的粒径之比为1:0.2-0.8；所述多孔颗粒材料的粒径为0.01-1mm；所述多孔颗粒材料上的孔径为2-10μm。
2.根据权利要求1所述的双孔隙吸声增强复合材料，其特征在于，所述纤维多孔材料为含有玻璃纤维和/或玄武岩纤维的棉板、含有玻璃纤维和/或玄武岩纤维的棉毡中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的双孔隙吸声增强复合材料，其特征在于，所述多孔颗粒材料为膨胀珍珠岩、多孔陶瓷渣、多孔火山石、多孔氧化铝、多孔碳酸钙、玻化微珠、膨胀蛭石中的至少一种。
4.一种权利要求1-3任一项所述双孔隙吸声增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备纤维的同时将多孔颗粒材料利用粘结剂负载到纤维材料上；
（2）将负载有多孔颗粒材料的纤维热压制成双孔隙吸声增强复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的粘结剂包括聚乙烯醇水溶液、聚乙烯基吡咯烷酮水溶液、聚丙烯酸水溶液、改性纤维素水溶液、聚丙烯酸酯乳液、聚苯乙烯-丙烯酸酯乳液中的至少一种。
6.一种权利要求1-3任一项所述双孔隙吸声增强复合材料的应用，其特征在于，在全波段吸声材料中的应用。
7.根据权利要求6所述双孔隙吸声增强复合材料的应用，其特征在于，在低频波段吸声材料中的应用。
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