生物质复合结构气凝胶的制备与吸声性能研究

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随着城市化和交通运输的高速发展,噪声会对工作效率、生活水平和人类健康产生不利影响。因此,吸声材料的广泛使用对减轻噪声污染具有重要意义。泡沫/气凝胶等多孔材料具备许多通道,可有效的消耗声波的能量,从而达到吸声降噪的效果。然而大多数商用泡沫,如聚氨酯泡沫、三聚氰胺泡沫等,都来自不可再生的化石燃料,是不可生物降解的材料。传统化石燃料的逐渐枯竭使得开发可再生材料具有重要意义。在这种背景下,生物基的吸声材料越来越受到关注。本论文首先制备了阿拉伯树胶(AG)气凝胶和羧甲基纤维素钠(CMC)气凝胶并发现其优秀的吸声性能。为了进一步改进性能,本文寻找了两条路线:第一条是采取密胺泡棉(MF)为骨架支撑,阿拉伯树胶(AG)和羧甲基纤维素钠(CMC)为增强填料,制备得到MF+AG/CMC薄片网络增强复合气凝胶;第二条路线选择生物质材料构建气凝胶基体,羧基丁腈胶乳(XNBRL)为增强剂,利用溶液法和冷冻干燥工艺制备出AG/XNBRL、CMC/XNBRL复合网络气凝胶。对制备出的气凝胶材料从密度孔隙率、形貌、机械性能和热稳定性进行了详细的表征研究,并探讨了它们对吸声性能的影响。具体研究内容如下:(1)采取溶液法将阿拉伯树胶(AG)和羧甲基纤维素钠(CMC)在水中溶解后进行冷冻干燥,制备得到不同浓度的纯AG气凝胶和纯CMC气凝胶。它们都具备质量轻、密度低(0.005-0.143 g/cm~3)、孔隙率高(89.41-99.67%)的特点。利用扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌发现,纯AG、CMC气凝胶微观形貌均为相似的片层结构,压缩强度随着气凝胶样品中的生物质含量增多而提升。热重分析中,两生物质气凝胶表现相似。纯AG/CMC气凝胶表现出与多孔泡沫类材料相似的吸声规律,且表现出更佳的吸声性能,在2000 Hz左右达到吸声峰,AG气凝胶和CMC气凝胶最大吸声系数都为0.99。(2)以密胺泡棉(MF)为气凝胶支撑骨架,阿拉伯树胶(AG)和羧甲基纤维素钠(CMC)为增强填料,在液相中将二者复合,经过真空处理和冷冻干燥,成功制备出AG浓度为2%、5%、10%、15%的MF+AG气凝胶和CMC浓度为0.5%、1%、1.5%、2%的MF+CMC气凝胶。对其进行表征观察后发现,AG/CMC在MF的三维骨架中形成薄片,生物质浓度较低时薄片穿插在MF骨架孔隙内提升了内部的曲折度,而浓度较高时会形成大面积片层覆盖MF骨架并使其形变,阻塞部分孔隙,降低孔隙率。MF+AG/CMC气凝胶压缩后均能回弹,结构强度随生物质浓度的增大而增加。MF+AG/CMC气凝胶的热稳定性则与体系中的质量比有关。对比MF、MF+AG、MF+CMC气凝胶的吸声性能,复合气凝胶解决了MF的剪切共振现象,MF+AG复合气凝胶最大吸声系数为0.98,在500~1500 Hz频段吸声性能明显提升,MF+CMC气凝胶最大吸声达0.99,全频段吸声性能提升明显,生物质浓度较低时能明显提升材料的吸声性能,而浓度过高时会有负面影响。MF+AG/CMC复合气凝胶在压缩后重新出现剪切共振现象,且吸声峰向低频移动,吸声性能略有下降,但仍明显优于MF,NRC系数在0.5左右。(3)以AG和CMC作为气凝胶基体,加入调配后羧基丁腈胶乳(XNBRL)为增强剂,经过冷冻干燥得到初步气凝胶样品后进行高温硫化交联,制得胶乳含量不同的AG/XNBRL气凝胶和CMC/XNBRL气凝胶。通过SEM观察到,复合气凝胶的内部形貌随着XNBRL的含量增加由片层结构逐渐演变出蜂窝状的结构,片层厚度增大,层间距减小,层间附着支撑结构明显增多。加入XNBRL后复合气凝胶的结构强度明显提升,AG/XNBRL气凝胶的杨氏模量和50%模量分别从纯AG气凝胶的0.027 MPa和0.0094 MPa提高到A3X7气凝胶的0.272MPa和0.4 MPa。热重分析表明XNBRL的加入可提高气凝胶的热稳定性,含30 wt%XNBRL的气凝胶的半失重温度(T50%)为344℃,其优于纯AG气凝胶。AG/XNBRL气凝胶引入少量XNBRL时,吸声性能增强,平均吸声系数从纯AG气凝胶的0.585上升到A7X3的0.638,而XNBRL过多时吸声性能发生下降,平均吸声系数从A7X3的0.638下降到A3X7的0.586,CMC/XNBRL表现相似,在2286 Hz处达到0.99吸声峰,5000 Hz高频处吸声系数仍保持在0.9以上,优于纯CMC气凝胶的0.7。
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