基于环氧树脂增强的泡沫金属/二氧化硅气凝胶复合吸声材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种基于环氧树脂增强的泡沫金属/二氧化硅气凝胶复合吸声材料的制备方法，其具体步骤为：固定体积比的硅源、甲基三乙氧基硅烷、盐酸、乙醇、环氧树脂与去离子水适当温度下混匀搅拌后加入适当摩尔浓度的氨水，将上述混合液倒入经过脱脂清洁的泡沫金属骨架中进行凝胶过程，经老化后采用CO2超临界干燥工艺，制备出具备较高机械强度的超轻复合吸声材料。复合吸声材料密度为0.20～0.36g/cm3，抗压强度为30.1～39.5MPa，最大吸声系数为0.996(3140Hz)。本发明将泡沫金属的高机械强度与二氧化硅气凝胶的优越吸声性能很好地结合，同时实现了最终复合吸声材料的超低密度。该复合材料不易燃、防潮防蛀，是一种理想的吸声材料。

说明书

技术领域

本发明属于金属/非金属复合材料制备的技术领域范畴，特别涉及一种高机 械强度、超轻型吸声材料的制备方法。

背景技术

随着现代社会的发展，噪声污染已经成为备受关注的问题。使用吸声材料是 消除噪声的有效手段。目前，市场上广泛应用的吸声材料主要有穿孔板共振吸声 材料、薄板薄膜吸声材料、多孔吸声材料以及一些特殊构造的帘幕和空间吸声体。 其中，多孔材料具有质轻、高吸收效率、宽吸收频率、便捷等优点而被广泛的研 究和关注。声能在多孔材料中的耗散主要源于其在孔道中发生的粘滞损失以及与 孔壁摩擦产生的热交换。故一种理想的多孔吸声材料需要具有弯曲而连通的孔 道、较小的孔径和较高的孔隙率。当前市场上应用比较成熟的多孔吸声材料主要 有海绵、木丝纤维和玻璃棉等。它们具有较好的吸声性能，但却存在易虫蛀、易 燃、易潮湿、机械强度差等缺点，因此亟需一种新型的吸声材料。

泡沫金属具备较高的机械强度和众多弯曲而连通的孔道，与传统的吸声材料 相比，它防水耐火、力学和化学性能稳定，是一种理想的吸声材料。但存在的问 题是，泡沫金属的质量与其孔径密切相关，孔径的减小可以带来吸声性能的提升， 却同时会增加自身质量而无法实现超轻。因此如何使其既轻又具备优越的吸声性 能是非常有研究价值的问题。

二氧化硅气凝胶是一种吸声性能非常优越的超轻(密度为0.002～0.8 g/cm³)多孔材料，它具有比空气更低的声速(100m/s)、极高的比表面积、孔体 积和孔隙率(97％)。但它的实际应用却受限于其极差的机械强度，例如易碎、易 开裂。

发明内容

针对现有吸声材料存在的缺陷，本发明的目的是提供一种制备高机械强度、 超轻型复合吸声材料的方法，该方法将泡沫金属与二氧化硅气凝胶结合，使制备 的复合材料兼备泡沫金属的高机械强度和二氧化硅气凝胶优越的吸声性能，为一 种实用的超轻复合吸声材料。

本发明的具体技术方案为：

基于环氧树脂增强的泡沫金属/二氧化硅气凝胶复合吸声材料的制备方法， 其具体步骤如下：

(1)泡沫金属骨架的脱脂清洁

首先将泡沫金属浸渍于丙酮溶液中进行超声清洗，然后用适当浓度的稀盐酸 溶液对泡沫金属进行浸泡，最后用乙醇溶液将其清洗干净后烘干待用；

(2)复合吸声材料的制备

将硅源、甲基三乙氧基硅烷、盐酸、乙醇、环氧树脂与去离子水按体积比为 1:(0.3～0.8):(0.01～0.04):(2～8):(0.06～0.68):(0.2～0.8)均匀混合，充分搅 拌后用适当浓度的氨水调节混合溶液的pH值到6～8之间，然后将混合液倒 入脱脂清洁后的泡沫金属骨架中，静置待凝胶后采用乙醇作为老化剂老化5～20 天，最后采用CO₂超临界干燥工艺干燥后制得泡沫金属/二氧化硅气凝胶复合吸 声材料。

优选步骤(1)中的超声清洗温度为10～40℃，清洗时间为0.5～2h；稀 盐酸摩尔浓度为0.5～2M，浸泡时间为1～4h；烘干温度为10～40℃；烘干 时间为4～20h。

优选步骤(2)中所用的硅源为正硅酸四乙酯(TEOS)或正硅酸甲酯 (TMOS)；搅拌速率为200～600转/min；搅拌温度为20～50℃；搅拌时间为1 ～4h；氨水浓度为5～10M；CO₂超临界干燥工艺中的CO₂流速为5～10 L/min，干燥时间为8～15h。

本发明的有益效果：

(1)所选择的制备原料方便易得、无毒无害、成本均较为低廉，且整个制 备过程简单快捷、环境污染小，符合节能减排的基本国策，适于工业推广。

(2)采用环保的环氧树脂作为添加剂，一方面其有助于增强二氧化硅气凝 胶本身的三维骨架结构，提高二氧化硅气凝胶的强度；另一方面有助于增强二氧 化硅气凝胶和泡沫金属骨架之间的粘合性，使复合材料的结合程度大大提升。

(3)制备的复合材料兼备了泡沫金属较高的机械强度以及二氧化硅气凝胶 优越的吸声性能，同时具有超轻的特点，非常方便使用。该复合材料不易燃、防 潮防蛀，是一种理想的吸声材料。

附图说明

图1为实例1制备的泡沫铜/二氧化硅气凝胶复合吸声材料外观图。

图2为实例1制备的泡沫铜/二氧化硅气凝胶复合吸声材料的应力-应变曲 线。

图3为实例1制备的泡沫铜/二氧化硅气凝胶复合吸声材料其吸声系数与频 率的关系。

图4为实例4制备的泡沫镍/二氧化硅气凝胶复合吸声材料外观图。

图5为实例4制备的泡沫镍/二氧化硅气凝胶复合吸声材料其吸声系数与频 率的关系。

图6为实例5制备的泡沫铝/二氧化硅气凝胶复合吸声材料外观图。

图7为实例5制备的泡沫铝/二氧化硅气凝胶复合吸声材料的应力-应变曲 线。

具体实施方式

本发明的制备方法为：将适当硅源、甲基三乙氧基硅烷、盐酸、乙醇、环氧 树脂和去离子水均匀混合，充分反应后采用适当浓度的氨水调节pH值到弱碱 性，然后倒入脱脂清洁后的泡沫金属骨架中，经凝胶过程和老化后采用CO₂超 临界干燥工艺制得所需的复合材料。

实例1：

具体实施方案：将泡沫铜浸入丙酮溶液中在25℃下超声清洗1h，然后 将泡沫铜用稀盐酸溶液(1M)浸泡2h，再用乙醇清洗三次后放入烘箱在30℃ 下烘干10h待用。将正硅酸四乙酯(TEOS)、甲基三乙氧基硅烷、盐酸、乙醇、 环氧树脂与去离子水按体积比为1:0.6:0.03:5:0.6:0.6均匀混合，在40℃ 下搅拌2h，搅拌速率为300转/min。用氨水(6M)调节混合溶液的pH值到 7，然后将混合液倒入脱脂清洁后的泡沫铜骨架中，静置待凝胶后用乙醇作为老 化剂进行老化。乙醇每天更换两次，老化15天。最后采用CO₂超临界干燥工 艺，CO₂流速为6L/min，经12h干燥后得到泡沫铜/二氧化硅气凝胶复合吸声 材料，其密度低达0.25g/cm³。

图1为所制备泡沫铜/二氧化硅气凝胶复合吸声材料的外观图。图2是其应 力-应变曲线。可以看出该复合材料具有较高的抗压强度，整个准静态压缩过程 类似金属，可以分为四个阶段：(1)线弹性阶段(从压缩过程开始至压缩位移为 1.15mm处)：由于泡沫铜孔壁的弹性弯曲，导致该阶段应力随着压缩位移呈线 性增长；(2)初始塌陷阶段(从压缩位移1.15mm至1.66mm处)：这个阶段 的主要特征在于第一应力峰值后的瞬间应力松弛。由于泡沫铜密度和孔分布的不 均匀性，孔壁在压缩时会发生应力集中，因此孔壁会先发生弯曲、屈服直至塌陷， 故导致了瞬间的应力松弛；(3)完全塌陷阶段(从压缩位移1.66mm至2.59mm 处)：这一阶段是阶段(2)的重复，直至所有的孔壁都经历坍塌，因此此段应力 -应变曲线较为平滑；(4)致密化阶段：这一阶段泡沫铜的孔壁已经被完全压实， 进一步压缩需要克服越来越大的原子斥力，因此进一步压缩需要越来越大的压缩 应力，故应力-应变曲线越来越陡。很明显，泡沫铜较高的机械强度被引入了该 复合材料，抗压强度高达36.1MPa，与二氧化硅气凝胶相比，具有极高的抗压 强的和实用性。

图3为所制备的泡沫铜/二氧化硅气凝胶复合吸声材料其吸声系数与频率的 关系。可以看出，单纯泡沫铜骨架的吸声性能非常差。这是由于泡沫铜骨架的平 均孔径相对较大，因此静态流阻和粘滞损失较低，因此吸声系数较低。对于复合 吸声材料，泡沫铜的孔洞被二氧化硅气凝胶填充。二氧化硅气凝胶的高孔隙率和 低阻抗使其对声波的反射率很低，其填入泡沫铜的孔洞相当于把泡沫铜的大孔转 换成了非常多的介孔，这一转变明显提高了复合材料的有效孔隙率并缩小了其孔 径，从而导致了大得多的静态流阻和粘滞损失。因此，所得复合材料的吸声系数 有了非常明显的提高，最大吸声系数达到0.996(3140Hz)。

实例2：

具体实施方案：将泡沫铜浸入丙酮溶液中在30℃下超声清洗1h，然后 将泡沫铜用稀盐酸溶液(2M)浸泡1h，再用乙醇清洗三次后放入烘箱在40℃ 下烘干20h待用。将正硅酸四乙酯(TEOS)、甲基三乙氧基硅烷、盐酸、乙醇、 环氧树脂与去离子水按体积比为1:0.7:0.04:7:0.6:0.8均匀混合，在40℃ 下搅拌2h，搅拌速率为600转/min。用氨水(10M)调节混合溶液的pH值 到7，然后将混合液倒入脱脂清洁后的泡沫铜骨架中，静置待凝胶后用乙醇作为 老化剂进行老化。乙醇每天更换两次，老化15天。最后采用CO₂超临界干燥 工艺，CO₂流速为10L/min，经8h干燥后得到泡沫铜/二氧化硅气凝胶复合吸 声材料。

制备的泡沫铜/二氧化硅气凝胶复合吸声材料密度为0.28g/cm³，抗压强度 为34.6MPa，最大吸声系数为0.983(3180Hz)。

实例3：

具体实施方案：将泡沫铜浸入丙酮溶液中在30℃下超声清洗0.5h，然后 将泡沫铜用稀盐酸溶液(0.5M)浸泡2h，再用乙醇清洗三次后放入烘箱在 30℃下烘干10h待用。将正硅酸甲酯(TMOS)、甲基三乙氧基硅烷、盐酸、 乙醇、环氧树脂与去离子水按体积比为1:0.4:0.01:4:0.1:0.4均匀混合，在 50℃下搅拌1h，搅拌速率为300转/min。用氨水(5M)调节混合溶液的pH 值到6.5，然后将混合液倒入脱脂清洁后的泡沫铜骨架中，静置待凝胶后用乙醇 作为老化剂进行老化。乙醇每天更换两次，老化20天。最后采用CO₂超临界 干燥工艺，CO₂流速为5L/min，经15h干燥后得到泡沫铜/二氧化硅气凝胶复 合吸声材料。

制备的泡沫铜/二氧化硅气凝胶复合吸声材料密度为0.27g/cm³，抗压强度为 35.2MPa，最大吸声系数为0.962(3310Hz)。

实例4：

具体实施方案：将泡沫镍浸入丙酮溶液中在25℃下超声清洗1.5h，然后 将泡沫镍用稀盐酸溶液(1M)浸泡4h，再用乙醇清洗三次后放入烘箱在40℃ 下烘干20h待用。将正硅酸四乙酯(TEOS)、甲基三乙氧基硅烷、盐酸、乙醇、 环氧树脂与去离子水按体积比为1:0.5:0.04:5:0.5:0.6均匀混合，在50℃ 下搅拌1h，搅拌速率为400转/min。用氨水(5M)调节混合溶液的pH值到 6.5，然后将混合液倒入脱脂清洁后的泡沫镍骨架中，静置待凝胶后用乙醇作为 老化剂进行老化。乙醇每天更换两次，老化20天。最后采用CO₂超临界干燥 工艺，CO₂流速为8L/min，经12h干燥后得到泡沫镍/二氧化硅气凝胶复合吸 声材料。

图4为所制备的泡沫镍/二氧化硅气凝胶复合吸声材料的外观图。制备的泡沫 镍/二氧化硅气凝胶复合吸声材料密度为0.36g/cm³，抗压强度为39.5MPa，图 5为其吸声系数与频率的关系，最大吸声系数为0.971(3220Hz)。

实例5：

具体实施方案：将泡沫铝浸入丙酮溶液中在20℃下超声清洗2h，然后将 泡沫铝用稀盐酸溶液(0.5M)浸泡3h，再用乙醇清洗三次后放入烘箱在35℃ 下烘干8h待用。将正硅酸甲酯(TMOS)、甲基三乙氧基硅烷、盐酸、乙醇、 环氧树脂与去离子水按体积比为1:0.8:0.02:8:0.4:0.2均匀混合，在25℃ 下搅拌4h，搅拌速率为200转/min。用氨水(8M)调节混合溶液的pH值到 8，然后将混合液倒入脱脂清洁后的泡沫铝骨架中，静置待凝胶后用乙醇作为老 化剂进行老化。乙醇每天更换两次，老化8天。最后采用CO₂超临界干燥工 艺，CO₂流速为10L/min，经10h干燥后得到泡沫铝/二氧化硅气凝胶复合吸 声材料。

图6为所制备的泡沫铝/二氧化硅气凝胶复合吸声材料的外观图。制备的泡沫 铝/二氧化硅气凝胶复合吸声材料密度为0.20g/cm³，图7为其应力-应变曲线， 抗压强度为30.1MPa，最大吸声系数为0.958(3040Hz)。