解小娟 罗桂发 杨博兆 杜晓阳 熊辉 万贺 左海平 朱恩

摘要：多孔材料的成孔率与其成孔方式、成孔机制密小可分。为研究碳酸氢铵、乙酸铵两种外加剂对多孔陶粒热分解机制和成孔形态的影响，通过对该两类外加剂陶粒的显孔率、孔结构微观形貌分析、吸声性能、筒压强度等性能指标研究，得到两种发泡剂对多孔陶粒成孔的影响规律。试验结果表明：碳酸氢铵和乙酸铵两种铵盐类发泡剂均可用于制备多孔陶粒，制得的多孔陶粒吸声性能、低频段吸声性能均有所提高，且筒压强度满足要求，但碳酸氢铵明显优于乙酸铵。要获得均匀、密集的多孔陶粒，可选质量分数为2.0%的碳酸氢铵为发泡剂。

关键词：发泡剂;多孔吸声陶粒：孔结构;SEM分析

中图分类号：TB383DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.010

0引言

多孔材料因其内部有大量互相贯通、向外敞开的微孔而具有良好的吸声性能。常用于形成材料孔隙的方法有：有机泡沫浸渍法、造孔剂法和发泡法等。张腾等试验前期对比3种成孔方式，表明前两种方式成孔过程中的孔隙率、孔径、孔的开口方向难以控制，不利于研究。己有的研究多是研究发泡剂掺合量对成孔效果的影响，而对比两种不同发泡剂对制备多孔陶粒影响的论文很少，因此，本文选择两种外加剂：碳酸氢铵、乙酸铵作为发泡剂，分别探究其对多孔陶粒成孔机制和孔形态的影响，并探究其对多孔陶粒的显孔率、孔结构微观形貌分析、吸声性能、筒压强度等性能指标的影响。研究成果为制备吸声性能优良、筒压强度满足要求的多孔陶粒提供可靠的理论依据。

1材料与试验

1.1原材料

原材料为自主研发的混合料，配合比见表1，其中粉煤灰为II级，来自柳州电厂;水泥为广西鱼峰水泥股份有限公司生产的标号42.5普通硅酸盐水泥，主要技术指标见表2;选用生石灰、熟石膏作为激发粉煤灰潜在活性的材料;两种发泡剂碳酸氢铵、乙酸氨分析纯均由广东西陇化工股份有限公司生产。

1.2试验方法

1.2.1材料的制备

按表1配合比得到原材料，控制水料比为0.2，两种发泡剂均设5个质量分数：0.0%、0.5%、0.7%、1.0%、2.0%，将原料倒入圆盘造粒机（山东淄博隆星环保设备有限公司，WKY500），以一定倾斜角度和转速造粒。成球后放入真空气氛炉（洛阳力宇窑炉有限公司，JNL-17ZK），以升温速率为20℃/min、升温范围为30～300℃进行热处理，自然养护28d后，得到陶粒样品。具体流程图如图l所示。

1.2.2材料的表征

1）显孔率：是指试验样品与开口孔的体积占样品总体积比值的百分数，它是反映多孔材料吸音性能的重要参数。其中开口孔的体积可以利用阿基米德原理，通过煮沸法测得。

2）微观形貌

采用场发射扫描电子显微镜（Sigma 04-55，Zeiss）观测不同条件下多孔陶粒的孔结构及分布状况。试验严格按照扫描电镜（SEM）分析要求制样，同时考虑到陶粒不导电，观测前给样品喷金两次共30s。

3）吸声系数

采用驻波管法测定吸声系数。按照固定配合比，根据国标《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》（GBJ88-85）制作标准试件，采用杭州爱华仪器有限公司的AWA6128驻波管进行试验。

4）筒压强度

筒压强度是衡量陶粒使用性能的一项必要考核指标。本试验严格按照国家标准《轻集料及其试验方法》（GB17431.2-2010）制作标准试样，测其筒压强度，并取3次试验值的算术平均值作为筒压强度的代表值。

2结果与分析

2.1显孔率

表3列出了两种发泡剂不同质量分数下制备的陶粒试样的显孔率值（每组显孔率值均采用3份样品测试数据的算术平均值代表）。由表3可知：

1）随着两种发泡剂质量分数增加，显孔率均呈上升趋势，当质量分数为2.0%时显孔率最高。

2）任何一种质量分数下，发泡剂NH₄HCO₃的显孔率均高于CH₃COONH₄。

3）不添加任何发泡剂，直接对陶粒进行热处理，虽然比普通陶粒显孔率略高，但是效果不明显。

分析上述试验现象，普通陶粒仅加热显孔率约为22%，这是制作过程材料堆积产生的随机孔隙和养护过程陶粒表面水分散失而至。添加发泡剂后，发泡剂在较低的温度下分解，产生了CO₂、NH₃等气体，并包裹在顆粒内部，在足够大的气压作用下，这些气体会从颗粒中逸出，变成开口对外的孔隙。由发泡剂的热分解机理可知，发泡剂含量越多，产生的气体越多，气体的压力也越大，因而发泡剂用量越多，显孔率越大。

由两种发泡剂的化学反应式（1）、式（2）可知，碳酸氢铵在加热过程中产生H₂O、CO₂、NH₃，3种物质均可形成孔隙，而乙酸铵在此过程中只产生一种可形成孔隙的物质NH₃，因此发泡剂NH₄HCO₃的显孔率均高于CH₃COONH₄。

2.2SEM分析

图2展出了两种发泡剂不同添加量下对应的多孔陶粒的外部形貌扫描电子显微镜照片（SEM图像），左边发泡剂为碳酸氢铵，右边发泡剂为乙酸铵。发泡剂添加量从0.0%增大至2.0%时（即图2的纵列图比较），开口孔的数量明显增多，显孔率明显增大，这与显孔率试验结果表3展现的试验数据相一致;同时发泡刺添加量增多，陶粒的外表形貌变得平滑，开口孔分布均匀。在同一发泡剂用量水平上（即图2的横向图比较）以碳酸氢铵为发泡剂的陶粒图2（a）、（c）、（e）、（g）、（i）的开口孔数量明显多于后者的陶粒图2（b）、（d）、（f）、（h）、（i），且孔也越来越均匀、密集。同时可以观察到以乙酸铵为发泡剂，质量分数在2.0%时图片有大量的花菜状晶体存在，这可能是氢氧化钙的晶体，这些晶体错综复杂的交织在一起，在晶体的缝隙中，形成大小不一的孔隙。要获得均匀、密集的多孔陶粒时，可选质量分数为2.0%的碳酸氢铵为发泡剂，同时控制发泡剂的添加量可以控制多孔陶粒中孔隙数量和孔的分布状况。

2.3吸声系数

图3、图4为两种发泡刺不同添加量下对应的多孔陶粒试块在不同的中心频率下的吸声系数图。

分析图3、图4、表4可知：

1）随着两种发泡剂用量的增加，降噪系数均呈现增大趋势且碳酸氢铵发泡剂组的降噪系数普遍高于乙酸铵组，碳酸氢铵组的降噪系数分别为0.39、0.46、0.49、0.50、0.52;乙酸铵组的降噪系数为0.39、0.42、0.46、0.48、0.49.

2）每种发泡剂不同质量分数下陶粒试块的吸声系数在声音的低频区和高频区都有峰值，其中二者的低频区峰值点都在500Hz附近，大部分高频区的峰值点在1250Hz附近。

3）随着二者发泡剂用量的增加，低频段的吸声系数普遍提高。且各质量分数下的两种发泡剂在低频段的吸声系数不相上下，因此两种发泡剂均可用来改善陶粒试块低频段的吸声性能，质量分数均在2.0%时效果最佳。

2.4简压强度

两种发泡剂不同添加量下对应的多孔陶粒筒压强度见表5.

从表5可知：

1）两种发泡剂的添加量都会对陶粒简压强度产生影响，并且与显孔率变化规律基本成反比关系。即添加发泡剂越多，显孔率越大，筒压强度越低，且碳酸氢铵组的强度较乙酸铵组低。

2）两种发泡剂任意质量分数下的多孔陶粒的简压强度都大于2.0MPa，满足陶粒实际使用要求。

3结论

1）碳酸氢铵和乙酸铵两种铵盐类发泡剂均可用于制备多孔陶粒，但添加碳酸氢铵的显孔率略高于乙酸铵。

2）要获得均匀、密集的多孔陶粒时，可选质量分数为2.0%的碳酸氢铵为发泡剂。

3）制得的多孔陶粒试块吸声性能均有提高，且碳酸氢铵发泡剂优于乙酸铵。两类添加剂对低频段的吸声性能均有很好的改善。

4）两种铵盐类发泡剂任意质量分数下的多孔陶粒的筒压强度都大于2.0MPa，满足陶粒实际使用要求。