基于環(huán)氧樹脂增強(qiáng)的泡沫金屬/二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬/非金屬復(fù)合材料制備的技術(shù)領(lǐng)域范疇，特別涉及一種高機(jī)械強(qiáng)度、超輕型吸聲材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，噪聲污染已經(jīng)成為備受關(guān)注的問題。使用吸聲材料是消除噪聲的有效手段。目前，市場上廣泛應(yīng)用的吸聲材料主要有穿孔板共振吸聲材料、薄板薄膜吸聲材料、多孔吸聲材料以及一些特殊構(gòu)造的簾幕和空間吸聲體。其中，多孔材料具有質(zhì)輕、高吸收效率、寬吸收頻率、便捷等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的研究和關(guān)注。聲能在多孔材料中的耗散主要源于其在孔道中發(fā)生的粘滯損失以及與孔壁摩擦產(chǎn)生的熱交換。故一種理想的多孔吸聲材料需要具有彎曲而連通的孔道、較小的孔徑和較高的孔隙率。當(dāng)前市場上應(yīng)用比較成熟的多孔吸聲材料主要有海綿、木絲纖維和玻璃棉等。它們具有較好的吸聲性能，但卻存在易蟲蛀、易燃、易潮濕、機(jī)械強(qiáng)度差等缺點(diǎn)，因此亟需一種新型的吸聲材料。
[0003]泡沫金屬具備較高的機(jī)械強(qiáng)度和眾多彎曲而連通的孔道，與傳統(tǒng)的吸聲材料相比，它防水耐火、力學(xué)和化學(xué)性能穩(wěn)定，是一種理想的吸聲材料。但存在的問題是，泡沫金屬的質(zhì)量與其孔徑密切相關(guān)，孔徑的減小可以帶來吸聲性能的提升，卻同時(shí)會增加自身質(zhì)量而無法實(shí)現(xiàn)超輕。因此如何使其既輕又具備優(yōu)越的吸聲性能是非常有研究價(jià)值的問題。
[0004]二氧化硅氣凝膠是一種吸聲性能非常優(yōu)越的超輕(密度為0.002?0.8g/cm3)多孔材料，它具有比空氣更低的聲速(100m/S)、極高的比表面積、孔體積和孔隙率(97% )。但它的實(shí)際應(yīng)用卻受限于其極差的機(jī)械強(qiáng)度，例如易碎、易開裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有吸聲材料存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種制備高機(jī)械強(qiáng)度、超輕型復(fù)合吸聲材料的方法，該方法將泡沫金屬與二氧化硅氣凝膠結(jié)合，使制備的復(fù)合材料兼?zhèn)渑菽饘俚母邫C(jī)械強(qiáng)度和二氧化硅氣凝膠優(yōu)越的吸聲性能，為一種實(shí)用的超輕復(fù)合吸聲材料。
[0006]本發(fā)明的具體技術(shù)方案為:
[0007]基于環(huán)氧樹脂增強(qiáng)的泡沫金屬/ 二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料的制備方法，其具體步驟如下:
[0008](1)泡沫金屬骨架的脫脂清潔
[0009]首先將泡沫金屬浸漬于丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗，然后用適當(dāng)濃度的稀鹽酸溶液對泡沫金屬進(jìn)行浸泡，最后用乙醇溶液將其清洗干凈后烘干待用；
[0010](2)復(fù)合吸聲材料的制備
[0011]將硅源、甲基三乙氧基硅烷、鹽酸、乙醇、環(huán)氧樹脂與去離子水按體積比為1: (0.3 ?0.8): (0.01 ?0.04): (2 ?8): (0.06 ?0.68): (0.2 ?0.8)均勻混合，充分?jǐn)嚢韬笥眠m當(dāng)濃度的氨水調(diào)節(jié)混合溶液的pH值到6?8之間，然后將混合液倒入脫脂清潔后的泡沫金屬骨架中，靜置待凝膠后采用乙醇作為老化劑老化5?20天，最后采用C02超臨界干燥工藝干燥后制得泡沫金屬/二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料。
[0012]優(yōu)選步驟(1)中的超聲清洗溫度為10?40°C，清洗時(shí)間為0.5?2h ;稀鹽酸摩爾濃度為0.5?2M，浸泡時(shí)間為1?4h ;烘干溫度為10?40°C ;烘干時(shí)間為4?20h。
[0013]優(yōu)選步驟⑵中所用的硅源為正硅酸四乙酯(TE0S)或正硅酸甲酯(TM0S);攪拌速率為200?600轉(zhuǎn)/min ;攪拌溫度為20?50°C ;攪拌時(shí)間為1?4h ;氨水濃度為5?10M ;C02超臨界干燥工藝中的C02流速為5?10L/min，干燥時(shí)間為8?15h。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015](1)所選擇的制備原料方便易得、無毒無害、成本均較為低廉，且整個(gè)制備過程簡單快捷、環(huán)境污染小，符合節(jié)能減排的基本國策，適于工業(yè)推廣。
[0016](2)采用環(huán)保的環(huán)氧樹脂作為添加劑，一方面其有助于增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠本身的三維骨架結(jié)構(gòu)，提高二氧化硅氣凝膠的強(qiáng)度；另一方面有助于增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠和泡沫金屬骨架之間的粘合性，使復(fù)合材料的結(jié)合程度大大提升。
[0017](3)制備的復(fù)合材料兼?zhèn)淞伺菽饘佥^高的機(jī)械強(qiáng)度以及二氧化硅氣凝膠優(yōu)越的吸聲性能，同時(shí)具有超輕的特點(diǎn)，非常方便使用。該復(fù)合材料不易燃、防潮防蛀，是一種理想的吸聲材料。
【附圖說明】
[0018]圖1為實(shí)例1制備的泡沫銅/二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料外觀圖。
[0019]圖2為實(shí)例1制備的泡沫銅/二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0020]圖3為實(shí)例1制備的泡沫銅/二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料其吸聲系數(shù)與頻率的關(guān)系Ο
[0021 ]圖4為實(shí)例4制備的泡沫鎳/ 二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料外觀圖。
[0022]圖5為實(shí)例4制備的泡沫鎳/二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料其吸聲系數(shù)與頻率的關(guān)系Ο
[0023]圖6為實(shí)例5制備的泡沫鋁/二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料外觀圖。
[0024]圖7為實(shí)例5制備的泡沫鋁/二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明的制備方法為:將適當(dāng)硅源、甲基三乙氧基硅烷、鹽酸、乙醇、環(huán)氧樹脂和去離子水均勻混合，充分反應(yīng)后采用適當(dāng)濃度的氨水調(diào)節(jié)pH值到弱堿性，然后倒入脫脂清潔后的泡沫金屬骨架中，經(jīng)凝膠過程和老化后采用C02超臨界干燥工藝制得所需的復(fù)合材料。
[0026]實(shí)例1:
[0027]具體實(shí)施方案:將泡沫銅浸入丙酮溶液中在25°C下超聲清洗lh，然后將泡沫銅用稀鹽酸溶液(1M)浸泡2h，再用乙醇清洗三次后放入烘箱在30°C下烘干10h待用。將正硅酸四乙酯(TE0S)、甲基三乙氧基硅烷、鹽酸、乙醇、環(huán)氧樹脂與去離子水按體積比為1:0.6:0.03:5:0.6:0.6均勻混合，在40°C下攪拌2h，攪拌速率為300轉(zhuǎn)/min。用氨水(6M)調(diào)節(jié)混合溶液的pH值到7，然后將混合液倒入脫脂清潔后的泡沫銅骨架中，靜置待凝膠后用乙醇作為老化劑進(jìn)行老化。乙醇每天更換兩次，老化15天。最后采用C02超臨界干燥工藝，C02流速為6L/min，經(jīng)12h干燥后得到泡沫銅/ 二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料，其密度低達(dá) 0.25g/cm3。
[0028]圖1為所制備泡沫銅/二氧化硅氣凝膠復(fù)合吸聲材料的外觀圖。圖2是其應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出該復(fù)合材料具有較高的抗壓強(qiáng)度，整個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程類似金屬，可以分為四個(gè)階段:(1)線彈性階段(從壓縮過程開始至壓縮位移為1.15mm處):由于泡沫銅孔壁的彈性彎曲，導(dǎo)致該階段應(yīng)力隨著壓縮位移呈線性增長；(2)初始塌陷階段(從壓縮位移1.15mm至1.66mm處):這個(gè)階段的主要特征在于第一應(yīng)力峰值后的瞬間應(yīng)力松弛。由于泡沫銅密度和孔分布的不均勻性，孔壁在壓縮時(shí)會發(fā)生應(yīng)力集中，因此孔壁會先發(fā)生彎曲、屈服直至塌陷，故導(dǎo)致了瞬間的應(yīng)力松弛；(3)完全塌陷階段(從壓縮位移1.66mm至2.59mm處):這一階段是階段(2)的重復(fù)，直至所有的孔壁都經(jīng)歷坍塌，因此此段應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平滑；(4)致密化階段:這一階段泡沫銅的孔壁已經(jīng)被完全壓實(shí)，進(jìn)一步壓縮需要克服越來越大的原子斥力，因此進(jìn)一步壓縮需要越來越大的壓縮應(yīng)力，故應(yīng)力-應(yīng)變曲線越來越陡。很明顯，泡沫銅較高的機(jī)械強(qiáng)度被引入了該復(fù)合材料，抗壓強(qiáng)度高達(dá)36.1MPa，與二氧化硅氣凝膠相比，具有極高的抗壓強(qiáng)的和實(shí)用性。
[0029]圖3為所制