多源固废制备多孔吸声材料

[32]，而剩余部分则被材料吸收并转化为其他形式的能量。吸声系数就是用来衡量被吸收声能在入射声能中所占的比例，是评估材料降噪隔音等声学性能的关键指标。表3-3配比组1的样品吸声系数Tab.3-3Soundabsorptioncoefficientofthesampleintheratiogroup1频率1195℃1200℃1205℃1210℃2000.080.090.070.0625080.073150.374000.0850080.096300.330.260.160.178000.430.340.160.1710000.540.460.190.2512500.610.930.270.3516000.580.820.440.8220000.670.310.860.7225000.590.990.160.2631500.780.860.20.3840000.470.690.340.5950000.960.90.690.7863000.490.960.70.86均值0.490.540.300.38表3-3是煤矸石含量为55wt%、建筑垃圾含量为25wt%的原料配比组1在不同烧结温度曲线下所制样品的吸声系数。当烧结曲线的最高温度为1195℃时，吸声系数在低频段（200~500Hz）相对较低且随着频率升高逐渐增大，在高频段（5000Hz）达到较高值0.96。均值为0.49，说明该烧结温度下的多孔吸声材料在较宽的频率范围内吸声能力良好且高频吸声效果优异。当烧结曲线的最高温度为1200℃时，低频段的吸声系数变化不大，在中高频段（1250~3150Hz）有比较高的吸声系数，在2500Hz时达到最高值0.99。均值为0.54是四组中最高，表明此烧结温度使材料整体吸声性能较好，在中高频部分表现优异。当烧结曲线的最高温度为1205℃时吸声系数在各频段相对较低，在低频段吸声效果一般，在高频段略微增加，均值仅达0.30，说明该烧结温度下材料吸声性能较弱，可能是材料微观结构变化不利于声能吸收。当烧结曲线的最高温度为1210℃时，吸声系数在低频段比较低，在中高频段有一定提升，当6300Hz时达到0.86，均值为0.38。整体吸声性能处于中间水平，与1205℃相比有所改善，但不如1195℃和1200℃。随着烧结温度从1195℃升高到1200℃，多孔吸声材料的吸声系数均值增大了，说明适当的升温有利于改善材料吸声性能，这可能是因为高温使材料内部孔隙结构更有利于声能吸收。但温度升高到1205℃时，吸声系数均值大幅度下降，说明过高烧结温度可能使材料结构过度致密或孔隙结构破坏，阻碍了声能的进入和耗散。1210℃时吸声系数有所回升，但还没有达到1195℃和1200℃的水平。表3-4配比组2的样品吸声系数Tab.3-4Soundabsorptioncoefficientofthesampleintheratiogroup2频率1195℃1200℃1205℃1210℃2000.070.010.070.012500.090.050.080.063150.180.090.10.324000.120.070.10.15000.180.090.180.1763010.158000.2810000.410.250.260.2212500.540.560.320.416000.780.970.470.8620000.790.540.990.525000.260.20.270.2331500.390.270.410.3240000.590.490.860.5250000.850.760.890.7563000.780.860.690.65均值0.430.370.410.36表3-4是煤矸石含量为60wt%、建筑垃圾含量为20wt%的原料配比组2在不同烧结温度曲线下所制样品的吸声系数。当烧结曲线的最高温度为1195℃时，在低频段（200~500Hz）吸声系数较低，随着频率升高逐渐增大，在高频段（5000~6300Hz）达到较高值（0.85、0.78），均值0.43。说明此烧结温度下材料在高频段吸声能力较强。当烧结曲线的最高温度为1200℃时，低频段吸声系数普遍较低，在中高频段（1250~6300Hz）有较好表现，如1600Hz时达到0.97。均值为0.37，说明该温度下材料在中高频部分吸声性能较好。当烧结曲线的最高温度为1205℃时，在低频段吸声系数波动较小且数值不高，中高频段有一定提升，尤其在2000Hz和5000Hz达到0.99和0.89，均值0.41。说明该烧结温度使材料在部分中高频区域吸声能力突出，但整体吸声性能的频率响应不够平滑。当烧结曲线的最高温度为1200℃时，低频段吸声系数较低，在中高频段逐渐升高，在1600Hz达0.86，均值0.36。整体吸声性能在中高频有一定提升，但相较于其他温度，在高频区域的吸声优势不明显。随着烧结温度从1195℃变化到1210℃，吸声系数均值呈现先降低再升高又降低的趋势，这说明温度变化会促使材料内部孔隙结构、晶体结构等发生改变，影响声能的吸收、反射和透射，使吸声系数变化。例如适当升温可能使材料孔隙结构更利于声能耗散，但过高温度可能破坏孔隙结构，降低吸声性能。综合表3-3、表3-4分析可知，原料配比组1的总平均吸声系数为0.43，原料配比组2的总平均吸声系数为0.39，说明煤矸石含量为55wt%、建筑垃圾含量为25wt%的原料配比组1的吸声性能更加优异，其中当烧结温度最高为1200℃时，平均吸声系数最大。综上所述，基于气孔率、吸声系数测试结果得出最优制备方案，样品原料为煤矸石55wt%，建筑垃圾25wt%，废弃回收玻璃20wt%，外加15wt%水，烧结温度曲线峰值为1200℃。3.3微观结构特征由上述对原料配比组1和组2的孔隙率、孔径分布、吸声系数的分析可知，煤矸石含量为55wt%、建筑垃圾含量为25wt%的原料配比组1的造孔效果更理性，吸声系数更优异。为了探究此配比下的微观形貌和物相组成，对组1的样品进行SEM测试和X射线衍射分析。3.3.1微观形貌烧结温度对所制备的多孔吸声材料的微观形貌影响如图3-3所示。烧结曲线最高温度为1195℃（a）与1200℃（b）下制备的吸声材料，呈现出显著的球形孔洞。随着温度上升，样品气孔率先增大。在1205℃（c）与1210℃（d）时，难以观测到大气孔的完整形态，仅能看到弧形边界。以1200℃为界限，温度继续升高会使样品孔壁逐渐变薄。从1195℃到1200℃，孔壁厚度近乎减半，可能是因为烧结温度提高，高温下质点热运动加剧，SiC生成的SiO₂膜被原料中部分碱金属或碱土金属离子移动破坏。而氧扩散速率的增大，进一步加速了SiC的氧化，单位时间内气体产生量增加，熔融体表面张力降低，使样品真气孔率与孔径增大，体积膨胀，体积密度减小。当温度高于1200℃，高温液相大量存在。由于气孔内气体压力过高，熔融体表面张力变小，部分已形成的闭孔塌陷，被流动的液相填充孔隙。样品在1205℃~1210℃时气孔率略有下降，体积密度上升。图3-3原料配比组1烧结产物的SEM图Fig.3-3SEMimageofthesinteringproductofrawmaterialratiogroup13.3.2物相分析图3-4XRD图谱Fig.3-4XRD

pattern如图3-4所示，在不同的最高烧结温度下，多孔吸声材料中均存在石英、钠长石和拉长石这三种主要物相，说明在实验所涉及的温度范围内，这些物相能够稳定存在，未出现新的主晶相生成或主晶相完全消失的情况。其中石英相能够通过自身的弹性振动对入射声波进行散射和吸收，由于其结构稳定性，可在较宽的频率范围内与声波相互作用，对高频声波有较好的吸声效果，有助于提升材料整体对高频噪声的阻隔能力。钠长石的晶体结构相对较疏松，具有一定的柔韧性，在声波作用下，其内部结构更容易发生微小变形，使声能转化为热能，从而实现对声波的吸收，尤其对中低频声波，钠长石可通过自身结构的适应性变化，有效降低中低频噪声。拉长石具有特殊的光学和晶体学性质，其内部存在的孪晶结构和微裂隙等特征，使其在声波传播时能产生复杂的声散射和干涉现象，这种复杂的声学行为可拓宽材料的吸声频率范围，对宽频噪声有较好的吸声效果，能有效吸收不同频率段的噪声，提升材料吸声性能的综合性。通过比较不同物相特征峰的强度，可以大致推测其相对含量。一般来说，衍射峰强度越高，对应物相的含量相对越高。在各温度下某些特定2-Theta角度处，钠长石和石英的特征峰强度较为突出，意味着钠长石和石英在材料中的含量相对较高。4环保经济性分析在建筑以及装饰领域运用多孔吸声材料时需要检测材料的放射性，因为部分此类材料中可能含有天然放射性核素，如果放射性水平超出标准，长期处于这样的环境里会对人体健康形成潜在的威胁，还会给室内外环境造成放射性污染。检测放射性可保证材料满足相关安全标准，保障使用者的健康以及环境安全，这也是对材料环保性和安全性进行评估的关键环节。图4-1最优样的放射性测定Fig.4-1Optimalsampleradioactivitydetermination对最优样进行放射性测定得图4-1，分析可知样品内照指数IRa为0.14，外照指数Ir为0.27。此样品放射性符合实验要求，低于最高放射值。多源固废制备多孔吸声材料具有良好的环保经济性。采用煤矸石、建筑垃圾以及废弃玻璃来制备多孔吸声材料，可减少这些固体废弃物的堆放量。煤矸石是煤炭开采期间产生的废弃物，长时间堆积会污染土壤、水体和空气，建筑垃圾的堆放占用土地，还会引发粉尘污染，废弃玻璃难以自然降解。把煤矸石、建筑垃圾以及废弃玻璃作为原料，实现了固废的资源化利用，减少了对自然资源的开采，降低了因开采所导致的生态破坏，从源头上减少了废弃物对环境的影响，推动了资源的循环利用以及生态环境的保护。煤矸石、建筑垃圾、废弃玻璃来源广泛且价格较为低廉，可降低多孔吸声材料的生产成本，使用这些固废作为原料减少了对传统昂贵原材料的依赖，在生产过程中还可提高生产效率，降低能源消耗。随着环保政策对废弃物处理要求变得日益严格，合理利用这些固废制备多孔吸声材料可避免支付高额的废弃物处理费用，提升经济效益。结论与展望本研究以煤矸石、建筑垃圾和废弃回收玻璃为主要原料，并外掺少量碳化硅作发泡剂制备多孔吸声材料。主要探究各固废组分的原料配比和烧结温度曲线对多孔吸声材料性能的影响，得出最优制备方案并深入探究最优样的微观结构特征。本研究通过对多孔吸声材料的孔隙率、孔径分布、吸声系数、放射性、扫描电镜和X射线衍射的测试，得出以下结论：（1）通过阿基米德排水法得到孔隙率和孔径分布更为优秀的初优样为煤矸石含量为55wt%、建筑垃圾含量为25wt%的原料配比组1和煤矸石含量为60wt%、建筑垃圾含量为20wt%的原料配比组2。（2）通过驻波管法测量吸声系数得到较优样为煤矸石含量为55wt%、建筑垃圾含量为25wt%的原料配比组1，最优样为其中烧结温度曲线最高温度为1200℃的样品。（3）通过对比最优样与较优样中其它样品的微观结构特征，分析发现最优样具有更合理的造孔效果和物相组成。（4）随着煤矸石的掺入占比增大，样品气孔率向细小化方向发展，利于提升高频吸声性能。当前本研究仅针对多孔吸声材料制备阶段的影响因素对其吸声性能所产生的影响展开了讨论，后续可深入研究，当多孔吸声材料处于不同环境，像潮湿以及酸碱环境下长期使用时，其吸声性能以及力学性能的变化规律。比如在潮湿环境中，材料内部孔隙有可能会出现积水的情况，对吸声性能与力学性能造成影响，有必要明确材料所受到的影响程度以及相应的应对措施。另外还可研究材料抵抗如紫外线、风蚀、冻融循环等自然环境因素的能力，探索如何提升材料的耐候性，以此来适应户外等复杂环境。虽然本研究已得出最优制备方案，但可以进一步探索拓宽材料吸声频率范围的方法，例如借助调整微观结构或者添加其他功能性物质，使材料可以吸收不同频率的噪声。在实际生产过程中，同样需要对工艺参数加以优化，目的在于提高生产效率并降低能耗，当把实验室的制备工艺扩大至工业化生产规模时，可能会出现许多问题，比如物料混合均匀性以及烧结过程中温度和气氛的控制等，这些问题依旧有待深入研究并解决。参考文献李淑梅.耳机噪听力的危害及其预防[J].生物学教学,2019,44(12):64-65.吴雨晗,田成华.职业噪声性听力损失防治研究进展[J].医药前沿,2025,15(12):20-23.过树清.水泥工业设备的噪音环保治理技术研究[J].城市建设理论研究(电子版),2020,(12):46-47.周志凌,王能银,陆彤玮,等.吸声材料新进展[J].科学通报,2025,70(12):1736-1749.周宓,李光.纤维多孔材料的吸声性能及其与结构的关系[J].合成纤维,2025,54(02):19-26.黄学辉,常宇,宋晓展,等.凝胶注模-发泡法制备煤矸石多孔吸声材料的工艺研究[J].硅酸盐通报,2023,42(03):970-977.张瑞东.建筑垃圾再生料吸音陶粒的制备与性能研究[D].广西科技大学,2018.张伟程,胡祥,罗鸿兴,等.中空玻璃微珠填充聚氨酯发泡材料的吸声性能与动态力学性能研究[J].中国塑料,2023,37(01):38-45.CaoLT,FuQX,SiY,etal.Porousmaterialsforsoundabsorption[J].CompositesCommunications,2018,10:25-35.付强,姚楚.三聚氰胺泡沫吸声特性分析[J].胶体与聚合物,2022,40(02):61-64.张鹏,杨自春,张震,等.二氧化硅气凝胶及其复合材料吸声性能的研究进展[J].稀有金属材料与工程,2022,51(11):4306-4322.李阳,苏振国,刘炜,等.玻璃粉基空心微珠多孔材料的吸声性能研究[J].功能材料,2016,47(S1):208-213.DongCL,FengZC,MingJZ,etal.MaterialParameterDeterminationinGlassWoolMatforSoundAbsorption[J].AppliedMechanicsandMaterials,2011,148-149(148-149):1271-1275.ZhaoX,LiuY,LvY,etal.Researchonlignin-modifiedflexiblepolyurethanefoamanditsapplicationinsoundabsorption[J].JournalofIndustrialandEngineeringChemistry,2024,137327-337.王雪松,孙慧广,付刚,等.一种共振吸声结构用低密度内嵌式微穿孔隔膜的研究[J].化学与粘合,2022,44(03):196-199+216.张焯.矿棉装饰吸声板的性能与应用浅析[J].居舍,2020,(23):28-29.马大猷.微穿孔板吸声结构的理论和设计[J].中国科学,1975,(01):38-50.安时天.开发飞灰吸声材料[J].中国建材科技,1995,(03):18.彭苏宁,刘庆云.南京建成粉煤灰纤维棉装饰吊顶吸声板生产线[J].煤炭加工与综合利用,2000,(04):51.张继香,刘炜,董英鸽,等.利用煤矸石研制多孔陶瓷吸声材料[J].中国陶瓷,2010,46(06):50-51.孙朋.钢渣多孔吸声材料的制备及吸声性能研究[D].北京科技大学,2016.毛志刚,李云涛,陆豫,等.工业固体废物制作多孔吸声材料的可行性探讨[J].西部交通科技,2018,(01):194-196.解传娣,张雷.利用煤矸石和废玻璃制备发泡陶瓷材料及其性能的研究[J].中国陶瓷,2022,58(05):51-56+64.Mendelovici,E..Comparativestudyoftheeffectsofthermalandmechanicaltreatmentsonthestructuresofclayminerals[J].JournalofThermalAnalysis