堿式硫酸鎂多孔吸聲材料的制備及性能研究

周冬冬，方莉，，楊巧珍，邱瑞芳，程芳琴

（1山西大學資源與環(huán)境工程研究所，山西太原030006；2山西大學化學化工學院，山西太原030006）

引 言

無機非金屬多孔材料如泡沫玻璃、多孔陶瓷、無機纖維、泡沫水泥等，因阻燃性好、耐久性優(yōu)異、使用壽命較長、成本較低等優(yōu)點，近年來逐漸成為吸聲材料領(lǐng)域的研究熱點[1-2]。其中，泡沫玻璃是以碎玻璃為主要原料，加入發(fā)泡劑后高溫熔融(＞700℃)發(fā)泡制得[3]，由于其耐熱、耐水、耐久性好，常用于防火要求高和較潮濕的環(huán)境[4-5]。但是，泡沫玻璃的降噪系數(shù)(noise reduction coefficient，NRC)一般僅約0.3，雖然通過增加材料厚度、設(shè)置空腔、表面鉆孔等方式可將其NRC提高至約0.6，但其吸聲性能遠不及聚氨酯泡沫塑料和玻璃纖維吸聲板。多孔陶瓷是以氧化鋁、高嶺土、剛玉砂等為原料，添加造孔劑或發(fā)泡劑后，經(jīng)特殊高溫燒結(jié)(＞1000℃)制備的三維網(wǎng)狀開孔結(jié)構(gòu)材料[6]。多孔陶瓷的吸聲性能優(yōu)異，NRC大于0.7，但因制備過程能耗高、材料性脆，導(dǎo)致其不僅成本高，而且應(yīng)用范圍受限[7]。無機纖維材料包括玻璃棉、礦渣棉、巖棉等，其NRC高達0.85[8]，且在中高頻范圍內(nèi)有優(yōu)異的吸聲性能，常用于高溫和高聲壓級領(lǐng)域及部分建筑領(lǐng)域的噪聲控制，例如飛機發(fā)動機襯套等[9]。但是，無機纖維材料也需經(jīng)高溫煅燒，性脆易折，且生產(chǎn)過程中產(chǎn)生粉塵污染，對環(huán)境和工人造成嚴重危害。此外，無機纖維材料易吸水受潮，從而導(dǎo)致吸聲性能大幅降低[1]。傳統(tǒng)的泡沫水泥是以硅酸鹽水泥為主要基體材料[10-13]，通過化學發(fā)泡或者物理發(fā)泡制得，主要應(yīng)用于鐵路、公路、隧道、地鐵等領(lǐng)域的吸聲板和吸聲屏障等，具有防潮性能好、施工方便、成本低廉等優(yōu)點，但也存在板材太重、裝飾性差、吸聲性能較低(NRC＜0.4)等問題。雖然泡沫水泥通過與輕質(zhì)多孔材料復(fù)配可改善其吸聲性能(NRC＞0.6)，但是其力學強度和吸聲性能之間存在此消彼長的矛盾[14]。因此，亟需開發(fā)性能優(yōu)異、環(huán)境友好且能耗低的無機非金屬多孔吸聲材料。

長期以來，青海鹽湖資源的開采利用主要以鉀鹽和鈉鹽為主，而產(chǎn)量巨大的副產(chǎn)物水氯鎂石利用率卻很低，導(dǎo)致大量鎂資源的棄置堆積，危害了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。因此，鎂資源的建材化利用成為鹽湖資源可持續(xù)開發(fā)的重要途徑之一。堿式硫酸鎂水泥(base magnesium sulfate cement,BMS水泥)，也稱為改性硫氧鎂水泥(magnesium oxysulfate cement，MOS水泥)，是一種極具潛力的新型鎂基膠凝材料，主要由堿式硫酸鎂針桿狀晶體[Mg(OH)2·MgSO4·7H2O]，簡稱5·1·7相]相互交錯生長構(gòu)成，具有質(zhì)輕高強、力學性能優(yōu)異，以及制備工藝簡單、能耗低等優(yōu)點[15-17]。近年來，一些研究者以BMS水泥為基材，通過摻雜、發(fā)泡等手段制備了BMS水泥保溫材料[18–21]，但是關(guān)于BMS多孔吸聲材料制備及性能的研究鮮見報道。趙祥等[22]以改性氯氧鎂水泥和高鋁水泥為膠凝材料、聚合物和纖維為增強材料，發(fā)泡后自然固化得到蜂窩狀多孔材料，并通過穿孔、V形槽開設(shè)等工藝制備吸聲保溫板，當其密度為230～250 kg/m3時，抗壓強度為1.5～2.0 MPa，平均吸聲系數(shù)可達0.64。李晶等[23]報道了一種具有吸聲降噪功效的硫氧鎂膠凝材料及其制備方法，以輕燒氧化鎂、硫酸鎂、減水劑、有機酸、粉煤灰等為原料，采用靜壓成型法制備了密度為800～1600 kg/m3的吸聲材料，但是其NRC值不到0.5。

本文以氧化鎂、硫酸鎂為主要原料，以檸檬酸(citric acid,CA)為改性劑，以十四烷基甜菜堿(tetradecylbetaine,C14BE)為引氣劑，采用物理發(fā)泡法制備了BMS水泥基多孔吸聲材料，研究了MgSO4濃度、C14BE添加量和礦物摻合料粉煤灰(fly ash,FA)的摻量等對其抗壓強度和吸聲性能的影響，以及材料的物相組成、孔結(jié)構(gòu)與吸聲性能之間的構(gòu)效關(guān)系，實現(xiàn)了BMS多孔吸聲材料的可控制備。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

氧化鎂(MgO，鹵水法制得)購自河北鎂盛化工科技有限公司，其中活性氧化鎂(α-MgO)含量為93.4%，D50為2.5μm，其化學組成見表1；七水硫酸鎂(MgSO4·7H2O，AR)和檸檬酸(CA，AR)購自國藥化學試劑有限公司；C14BE(35%水溶液)購自廣州佳琪生物科技有限公司，其分子結(jié)構(gòu)及臨界膠束濃度(CMC)的測定結(jié)果如圖1所示，CMC為0.14 mmol/L；超細粉煤灰由山西朔州煤矸石電廠提供的循環(huán)流化床粉煤灰通過超聲速氣流磨磨制而成，其平均粒徑為6.41μm，粒徑分布如圖2所示。

圖1 十四烷基甜菜堿(C14BE)的分子結(jié)構(gòu)式及CMC測定Fig.1 Schematic structure and CMCmeasurement of C14BE

圖2 粉煤灰的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of fly ash

表1 氧化鎂的化學組成及反應(yīng)活性Table 1 Chemical composition and reactivity of the used MgO

1.2 堿式硫酸鎂多孔吸聲材料的制備

固定活性氧化鎂(α-MgO)與硫酸鎂(MgSO4)的摩爾比為5∶1，CA添加量為α-MgO的1%(質(zhì)量)[16,24]。BMS多孔吸聲材料的制備流程如圖3所示：首先，將MgSO4·7H2O加入一定量的自來水中[根據(jù)不同的水灰比(water cement ratio,w/c)計算]，45℃下攪拌溶解后加入CA得到透明的MgSO4溶液；然后，將不同濃度的C14BE溶液加入MgSO4溶液中，以3000 r/min的速度攪拌10 min，得到泡沫豐富的發(fā)泡溶液后，迅速加入稱量好的MgO，繼續(xù)攪拌8～10 min得到均勻的發(fā)泡漿體;最后，將發(fā)泡漿體澆筑到不同規(guī)格的模具中，養(yǎng)護1 d脫模，繼續(xù)在空氣中室溫下養(yǎng)護28 d得到BMS多孔材料。制備FA摻雜BMS多孔材料時，只需將不同摻量的FA與MgO均勻混合后加入MgSO4發(fā)泡溶液中，其余步驟不變。

圖3 BMS多孔吸聲材料的制備流程圖Fig.3 Schematic illustration of preparation procedure for porous BMSsound-absorbing material

1.3 溶液起泡性能與泡沫穩(wěn)定性測試

由于MgSO4溶液發(fā)泡程度及泡沫穩(wěn)定性對后續(xù)BMS多孔材料的孔結(jié)構(gòu)形成至關(guān)重要，因此，按照BMS水泥原料α-MgO∶MgSO4∶H2O(摩爾比)為5∶1∶18，室溫下分別測定了MgSO4濃度為2.4 mol/L、不同C14BE濃度下，以及C14BE濃度為9.8 mmol/L、不同MgSO4濃度下，溶液的發(fā)泡高度及泡沫靜置不同時間的排液量(液膜排水量)。其中，發(fā)泡高度表征溶液的起泡性能，排液量表征泡沫穩(wěn)定性，相同時間內(nèi)排液量越少，泡沫穩(wěn)定性越好[25-26]。

1.4 吸聲性能測試

BMS多孔吸聲材料的吸聲系數(shù)(sound absorption coefficient，SAC)利用駐波管法測量[10,27]，具體操作參照《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范》(GBJ 88)。試塊為厚度40 mm的圓柱體，按直徑大小分為兩種：直徑為30 mm的用于測高頻吸聲性能(1000～6300 Hz)，直徑為100 mm的用于測低頻吸聲性能(80～1600 Hz)。《建筑吸聲產(chǎn)品的吸聲性能分級》（GB/T 16731—1997）規(guī)定，采用NRC值評定材料的吸聲性能等級，NRC取250、500、1000和2000 Hz四個倍頻帶SAC的算數(shù)平均值。其中，NRC≥0.8為Ⅰ級，0.6≤NRC＜0.8為Ⅱ級，0.4≤NRC＜0.6為Ⅲ級。

1.5 力學性能及干密度測試

參照《泡沫混凝土砌塊》(JC/T 1062—2007)，采用YAW-200B型全自動抗折抗壓試驗機(無錫建儀儀器機械有限公司)，對標準尺寸為70 mm×70 mm×70 mm的試塊進行抗壓強度(compressive strength，CS)測試，加載速率為0.6 kN/s。測試前將試塊置于烘箱中45℃下烘至恒重后稱量，其質(zhì)量與體積之比即為干密度。每組試塊的CS和干密度分別測3次，取平均值。

1.6 孔結(jié)構(gòu)分析

吸聲材料的孔結(jié)構(gòu)分析方法如圖4所示[28-29]：首先利用Photoshop軟件對吸聲材料的SEM圖進行二值化處理區(qū)分孔間壁與孔；然后利用Image J軟件對發(fā)泡水泥的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進行統(tǒng)計，包括孔隙率、開孔率、閉孔率?？紫堵实扔陂]孔和連通孔的面積之和與長方形的總面積之比，閉孔率等于閉孔的面積與總面積之比，開孔率等于連通孔的面積與總面積之比，具體如式(1)～式(3)所示。

圖4 孔結(jié)構(gòu)分析方法示意圖(紅色區(qū)域表示閉孔，藍色區(qū)域代表連通孔，白色區(qū)域代表孔間壁)Fig.4 The schematic diagramof pore structure analysis

式中，φ、φo、φc為孔隙率、開孔率、閉孔率；Sred為閉孔的面積；Sblue為開孔的面積；Sred+blue為所有孔的面積；Stotal為長方形的總面積。

1.7 物理表征

試塊的物相組成采用D2-ADVANCE型X射線衍射儀(德國Bruker公司)進行表征，采用Cu Kα靶源，電壓30 kV，電流10 mA，掃描范圍8°～70°；微觀形貌在JSM-IT500HR掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司)上進行觀察，腔室壓力為6.92×10-6Pa，加速電壓為5 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 C 14BE濃度對BMS多孔吸聲材料的孔結(jié)構(gòu)和性能影響

不同C14BE濃度下制備的BMS多孔吸聲材料的微觀形貌和孔結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖中看出，隨著C14BE濃度增大，材料的孔徑逐漸變大，同時開孔數(shù)量明顯增多。以C14BE濃度為9.8 mmol/L時制備的材料為例，從其放大500倍和3000倍的SEM圖(圖5中g(shù)-9.8)中可以分析微觀形貌、孔結(jié)構(gòu)與其吸聲性能之間的關(guān)系?？妆谏弦蛏L著大量針桿狀5·1·7相晶體而呈現(xiàn)出絨毛狀粗糙的表面結(jié)構(gòu)，當聲波進入長滿針桿狀晶體的孔道內(nèi)部而產(chǎn)生空氣振動時，孔壁與空氣的摩擦和黏滯力顯著增強，聲能快速轉(zhuǎn)化為熱能[10]，聲波急劇衰減，從而達到降噪的目的。

圖5 不同C14BE濃度下BMS多孔吸聲材料的SEM圖（水灰比為1.1）Fig.5 SEM images of porous BMSsound-absorbing materialsat different C14BEconcentrations

圖6所示為BMS多孔吸聲材料的NRC值與孔結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。從圖中看出，當C14BE濃度由1.4 mmol/L增至9.8 mmol/L時，總孔隙率由37.7%逐漸升高至84.1%，開孔率由19.1%增至72.6%，對應(yīng)的NRC從0.14提高到0.70，高于現(xiàn)有泡沫水泥吸聲材料的吸聲性能[30]。這是因為孔隙率越高，則孔隙曲折度越高，即孔的內(nèi)部通道越復(fù)雜，越有利于吸聲性能強化[27]；此外，開孔率的增大有助于聲波向材料內(nèi)部傳輸，降低聲波反射率，可進一步提高降噪系數(shù)[31]。當C14BE濃度繼續(xù)增大至14 mmol/L時，總孔隙率沒有明顯變化，但是開孔率略有增大，相應(yīng)的NRC提高至0.75。由此可知，過量的C14BE對BMS水泥漿體的起泡性能和孔隙率沒有明顯作用，但可提高連通孔率。

圖6 不同C14BE濃度下BMS多孔吸聲材料的降噪系數(shù)和孔隙率（水灰比為1.1）Fig.6 NRCand porosity of porous BMSsound-absorbing materials at different C14BEconcentrations

BMS多孔吸聲材料的干密度和抗壓強度隨C14BE濃度的變化關(guān)系如圖7所示。從圖中看出，未添加C14BE時，材料的干密度為1360 kg/m3，抗壓強度為74 MPa。當C14BE濃度由1.4 mmol/L增加至4.2 mmol/L時，干密度和抗壓強度分別由1210 kg/m3和59 MPa降低至542 kg/m3和7.6 MPa；濃度增大至9.8 mmol/L時，干密度降至309 kg/m3、抗壓強度為2.0 MPa；但是，繼續(xù)增大C14BE濃度，材料的干密度與抗壓強度的降低幅度急劇減緩，當濃度為14.0 mmol/L時，二者的值分別為288 kg/m3和1.7 MPa，材料的力學性能仍然優(yōu)于《蒸壓加氣混凝土砌塊》(GB 11968—2006)中同等密度砌塊的技術(shù)指標。

圖7 不同C14BE濃度下BMS多孔吸聲材料的干密度和抗壓強度（水灰比為1.1）Fig.7 Density and compressive strength of porous BMSsoundabsorbing materials at different C14BEconcentrations

通過上述分析可知，C14BE最佳濃度為9.8 mmol/L，所制備的BMS多孔吸聲材料的干密度為309 kg/m3、抗壓強度為2.0 MPa、NRC達0.70，克服了傳統(tǒng)泡沫水泥吸聲材料存在的吸聲性能和力學性能不能兼顧的難題。

2.2 水灰比對BMS多孔吸聲材料孔結(jié)構(gòu)和性能的影響

不同水灰比下BMS多孔吸聲材料的微觀形貌與孔結(jié)構(gòu)如圖8所示。水灰比0.9、1.0、1.1、1.2和1.3分別對應(yīng)MgSO4溶液濃度為2.8、2.6、2.4、2.2和2.0 mol/L。當水灰比為0.9時，材料的孔徑相對較小、孔壁較厚，且閉孔數(shù)量較多。這一方面是由于MgSO4溶液的濃度大(2.8 mol/L)導(dǎo)致起泡性能偏低、液膜穩(wěn)定性好；另一方面是因為漿體黏度較大，攪拌阻力增大，細小氣孔增多，因此難以形成連通孔或開放孔。隨著水灰比逐漸增大，MgSO4溶液濃度減小，起泡性能提高，材料的孔壁逐漸變薄、孔徑增大，同時開放孔數(shù)量增加。圖9所示的孔隙率分布和NRC隨水灰比變化具有相似的趨勢，即隨著水灰比的增加，總孔隙率、開孔率和NRC值均逐漸增大。當水灰比由0.9增至1.1時，NRC由0.48增至0.70，但水灰比繼續(xù)增至1.3，NRC僅增至0.73。相似地，當水灰比小于1.1時，材料干密度和抗壓強度隨水灰比增大而顯著降低(圖10)，之后的降低幅度卻很小，當水灰比為1.3時，材料干密度減小至280 kg/m3，抗壓強度降至1.5 MPa。這是由于孔隙率越高，在相同體積內(nèi)的受力點越少，越容易受到破壞，因此其力學性能越差[32]。因此，確定最佳水灰比為1.1，即MgSO4溶液濃度為2.4 mol/L。

圖8 不同水灰比下BMS多孔吸聲材料的SEM圖（C14BE濃度為9.8 mmol/L）Fig.8 SEMimagesof porous BMSsound-absorbing materials at different w/c ratios

圖9 不同水灰比下BMS多孔吸聲材料的降噪系數(shù)與孔隙率（C14BE濃度為9.8 mmol/L）Fig.9 NRCand porosity of porous BMSsound-absorbing materials at different w/c ratios

圖10 不同水灰比下BMS多孔吸聲材料的干密度和抗壓強度（C14BE濃度為9.8 mmol/L）Fig.10 Density and compressive strength of porous BMS sound-absorbing materials at different w/c ratios

2.3 C14BE和MgSO4濃度對溶液起泡性能與泡沫穩(wěn)定性的影響

由圖3所示的制備工藝流程圖可知，BMS多孔吸聲材料是MgSO4溶液先發(fā)泡再與MgO發(fā)生水化反應(yīng)，最后進行澆筑養(yǎng)護得到的，故BMS水泥漿體的微觀孔結(jié)構(gòu)與MgSO4溶液的起泡性能和泡沫穩(wěn)定性直接相關(guān)。為此，分別考察了C14BE和MgSO4的濃度對MgSO4溶液的發(fā)泡高度及泡沫排液量的影響，結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

圖11 不同C14BE濃度下硫酸鎂溶液的發(fā)泡高度(a)和排液量(b)[MgSO4溶液的濃度為2.4 mol/L；圖(b)中箭頭方向為C14BE濃度由1.4增大至14.0 mmol/L]Fig.11 Foam height(a)and drainage(b)of MgSO4 solutions at different C14BEconcentrations

圖12 不同濃度的硫酸鎂溶液的發(fā)泡高度(a)和排液量(b)（C14BE的濃度為9.8 mmol/L）Fig.12 Foamheight(a)and drainage(b)of MgSO4 solutions at different concentrations

從圖11(a)看出，MgSO4溶液的發(fā)泡高度隨C14BE濃度的增加呈現(xiàn)先快速增長然后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。當C14BE濃度增大至9.8 mmol/L時，溶液的發(fā)泡高度猛然增大到33.58 cm，隨后基本不再變化。研究發(fā)現(xiàn)，純C14BE水溶液在其濃度為1.4 mmol/L時泡沫高度可達37.88 cm，遠高于同等條件下MgSO4溶液產(chǎn)生的泡沫高度(9.97 cm)，說明MgSO4對C14BE的發(fā)泡有強烈的抑制作用。這是由于MgSO4溶液的濃度高(2.4 mol/L)，溶液的表面張力和黏度大、鹽析作用強[33]，C14BE在溶液中的溶解度減小，起泡能力下降，只有進一步增大C14BE濃度才能形成足夠的泡沫；另外，正是由于溶液表面張力和黏度大，液膜內(nèi)分子間作用力增大，提高了液膜的黏彈性和泡沫穩(wěn)定性[33-34]。此外，由于C14BE是兩性表面活性劑，分子內(nèi)同時存在帶正電的季銨基和帶負電的羧基，在液膜表面的C14BE分子呈電中性，相鄰分子之間存在斥力，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性變差；而MgSO4溶液中的高濃度離子可屏蔽相鄰頭基之間的排斥作用，使界面上C14BE分子排列更加致密有序，促使液膜穩(wěn)定性提高。然而，從圖11(b)所示液膜排液量隨時間的變化曲線可以看出，隨著C14BE濃度增大，泡沫在相同時間內(nèi)的排液量逐漸減少，排液速率降低，說明泡沫穩(wěn)定性提高。當C14BE濃度超過9.8 mmol/L后，雖然泡沫穩(wěn)定性還可進一步提高，但溶液的起泡能力并沒有明顯增強[圖11(a)]。

圖12為溶液的發(fā)泡高度和液膜排液量與MgSO4濃度之間的關(guān)系。從圖12(a)可見，純水中加入濃度為9.8 mmol/L的C14BE時，其泡沫高度可達44.6 cm，但圖12(b)中純水產(chǎn)生的泡沫排液量在20 min時就超過了80%，40 min時達100%，說明其泡沫穩(wěn)定性很差。當MgSO4溶液的濃度從2.0增至2.4 mol/L，發(fā)泡高度從37.4降至33.6 cm，濃度繼續(xù)增大至2.8 mol/L時，泡沫高度降至19.7 cm，說明MgSO4溶液的濃度越大，起泡性能越差。但從圖12(b)發(fā)現(xiàn)，溶液的泡沫穩(wěn)定性隨著MgSO4濃度增大而逐漸提高。當MgSO4溶液的濃度為2.4 mol/L時，液膜在25 min后開始排液，而濃度為2.8 mol/L時，50 min后才開始排液，且排液量非常低，證明MgSO4的存在有利于泡沫穩(wěn)定性。由此可知，MgSO4濃度對溶液的起泡性能和泡沫穩(wěn)定性的影響，與其對制得的BMS多孔吸聲材料的孔結(jié)構(gòu)、吸聲性能和力學性能的影響完全一致。

2.4 粉煤灰對BMS多孔吸聲材料性能和孔結(jié)構(gòu)的影響

與硅酸鹽水泥所需原料氧化鈣相比，BMS水泥基材的原料活性氧化鎂和硫酸鎂的價格較高，而礦物摻合料的添加是降低材料成本的重要手段之一。因此，研究了不同粉煤灰(FA)摻量(10%～40%，以活性MgO的量計算)對多孔材料的性能和孔結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果如圖13～圖16所示。

圖13 不同F(xiàn)A摻量BMS多孔吸聲材料的干密度和抗壓強度（水灰比為1.1，C14BE濃度為9.8 mmol/L）Fig.13 Density and compressive strength of porous BMS sound-absorbing material at different FA dosages

圖13為不同F(xiàn)A摻量下BMS多孔吸聲材料的抗壓強度和干密度。從圖中看出，當FA摻量逐漸增加至40%時，材料的干密度逐漸增大，抗壓強度則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當FA摻量為20%時，材料的干密度為399 kg/m3，抗壓強度達4.5 MPa，與未摻FA的純BMS多孔吸聲材料在相同干密度時的強度幾乎相當(圖7)。這可能是由于FA具有微集料填充效應(yīng)[35]，摻雜后提高了材料孔壁的密實度，有利于力學性能提高。此外，圖14所示FA摻量為20%多孔材料的XRD譜圖與未摻FA的相比，在9.47°、17.86°、30.88°、37.35°、45.27°處的5·1·7相特征峰幾乎沒有變化，說明一定量FA摻雜對BMS水化反應(yīng)幾乎沒有影響，只是由于單位體積內(nèi)產(chǎn)生的5·1·7相含量減少，導(dǎo)致峰強度降低[36]。但FA摻量為40%時，材料的干密度增至432 kg/m3，抗壓強度僅為2.8 MPa。從XRD譜圖中也發(fā)現(xiàn)，雖然相應(yīng)的特征衍射峰位置沒有變化，但是峰強度明顯減弱，一些弱的特征峰甚至消失，這可能是因為過量FA摻雜后，在養(yǎng)護過程中5·1·7相晶體的結(jié)晶度變差。

圖14 不同F(xiàn)A摻量BMS多孔吸聲材料的XRD譜圖（水灰比為1.1，C14BE濃度為9.8 mmol/L）Fig.14 XRDpatterns of porous BMSsound-absorbing materialswith different FA dosages

不同F(xiàn)A摻量下BMS多孔吸聲材料的微觀形貌和孔結(jié)構(gòu)如圖15所示。顯然，與未摻FA的多孔材料相比，隨著FA摻量的增加，材料的孔徑變小、孔間壁變厚，且一些FA顆粒填充于孔中，黏附在針桿狀晶體上。從圖16也可以看出，摻雜FA后，多孔材料的孔隙率及開孔率隨著FA摻量的增加而逐漸降低；當FA摻量為40%時，孔隙率降為68.76%，開孔率僅為50.39%。相應(yīng)地，NRC也逐漸減小，由未摻FA時的0.70減小至0.51。其原因除了FA摻雜導(dǎo)致的孔隙率和開孔率降低之外，還可能因為孔內(nèi)附著的FA顆粒對聲波的反射作用，阻礙其進入多孔材料的內(nèi)孔道，導(dǎo)致材料的吸聲性能下降。盡管如此，F(xiàn)A摻量為40%時的BMS多孔吸聲材料仍然滿足鐵路、公路等領(lǐng)域用吸聲材料的技術(shù)指標要求。

圖15 不同F(xiàn)A摻量BMS多孔吸聲材料的SEM圖（水灰比為1.1，C14BE濃度為9.8 mmol/L）Fig.15 SEM images of porous BMSsound-absorbing materials at different FA dosages

圖16 不同F(xiàn)A摻量BMS多孔吸聲材料的降噪系數(shù)和孔隙率（水灰比為1.1，C14BE濃度為9.8 mmol/L）Fig.16 NRCand porosity of porous BMSsound-absorbing materials at different FA dosages

3 結(jié) 論

(1)BMS多孔吸聲材料的孔徑大、孔隙率及開孔率高，且孔壁是由大量針桿狀5·1·7相晶體組成，這種特殊的孔結(jié)構(gòu)顯著地提高了材料的吸聲性能。當C14BE濃度為9.8 mmol/L、水灰比為1.1時，材料的NRC可達0.70、干密度為309 kg/m3、抗壓強度為2.0 MPa，克服了傳統(tǒng)泡沫水泥吸聲材料存在的吸聲性能和力學性能不能同時兼顧的難題。

(2)MgSO4溶液的濃度對其起泡性能和泡沫穩(wěn)定性有顯著的影響。一方面，高濃度MgSO4溶液的表面張力和黏度增大、鹽析作用強，使C14BE在溶液中的溶解度減小，導(dǎo)致起泡能力下降；另一方面，高濃度MgSO4溶液也會使液膜內(nèi)分子間作用力顯著增大，提高液膜黏彈性和泡沫穩(wěn)定性。

(3)FA摻雜使多孔材料的孔徑減小、孔壁增厚、孔隙率和開孔率下降，導(dǎo)致吸聲性能下降，但即使FA摻量為40%時，NRC仍然可達0.51，滿足鐵路、公路等領(lǐng)域用吸聲材料的技術(shù)指標要求。

本文制備的BMS多孔吸聲材料，不僅為噪聲控制領(lǐng)域提供了一種新型無機非金屬材料，而且為青海鹽湖鎂資源的有效利用提供了一條新途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。