镍铁渣多孔聚合微粒吸声材料研究及应用

李云涛，郑双金，毛志刚，陆 豫

(广西交通科学研究院有限公司，南宁 530000)

近年来，全国高速公路建设已进入高峰期，高速公路网的日趋完善给人们交通出行带来了极大的便利，但随之而来的噪声污染问题已成为当今社会四大环境公害之一[1]，此问题已逐渐得到人们的普遍重视，交通噪声严重影响沿线居民、学校的正常生活、工作和学习，利用吸声材料对公路交通噪声进行吸收是防治公路交通噪声污染最主要的措施，而吸声型声屏障在降噪效果上优于普通隔声型声屏障，被广泛研究和使用。而目前，声屏障吸声材料主要有多孔吸声材料、共振吸声材料和特殊吸声材料3大类[1]，其中植物纤维材料（木质纤维板等）和无机纤维材料（玻璃棉等）在广西吸声型声屏障中使用最多。但木质纤维板等植物纤维材料防火性能差、吸声效果一般，玻璃棉无机纤维材料则易受潮、下沉和粉化，吸声性能下降严重，且易对环境产生危害[2]，耐用性和适用范围受限。

镍铁渣是冶炼镍铬合金坯料中精炼工段排出来的工业废渣，出炉后经水淬急冷形成。镍铁渣排渣量大，有价金属回收价值低，其具有镁高钙低、活性低和稳定性差等特性，导致其较难在水泥制造业中被回收利用[3]；因而镍铁渣的处置已成为广西镍铬合金企业的头等难题。目前，仅部分用于乡村道路路基填筑，产品附加值较低。因此，开发高附加值的镍铁渣新途径显得尤为重要。

本次研究利用镍铁渣为基本原料，通过添加胶凝溶剂，采用高温聚合成型工艺，制备镍铁渣聚合微粒吸声材料，是以废降噪、固废回用的绿色环保声学材料，集吸声、防火、环保和耐用等性能于一身。既实现了对工业固废资源镍铁渣的合理回收利用，增加其高附加值，又解决了交通运输噪声污染和声屏障吸声材料适用性受限等问题，实现“双赢”。

1 实验部分

1.1 实验材料

工业固废镍铁渣由广西北部湾港务集团下属相关企业提供，镍铁渣材料属于无机矿渣颗粒，是冶炼镍铬合金坯料中精炼工段排出经水淬急冷形成的镍铁渣。经检测，镍铁渣主要含有SiO2、MgO、Al2O3等，属于一般工业固体废物。

1.2 实验方法

实验中首先将镍铁渣按不同粒度筛分，经配比配料后，再添加胶凝溶剂，采用人工制备，用马弗炉在100℃下烘烤30分钟高温聚合成型，自然冷却24 h后，制备出镍铁渣聚合微粒吸声材料，再采用驻波管法测试其吸声性能。

根据图1所示的工艺流程，制成不同粒度大小、不同厚度的聚合微粒吸声材料，测样块品成品如图2所示。采用电子显微镜观察其表观颗粒形貌，得到的图像如图3所示。驻波管法吸声性能测试样块组装结构简图如图4所示。

图1 工艺流程图

从图3可以看出，镍铁渣与胶凝溶剂均匀且极薄地覆盖于全部微粒表面，形成特定角形系数的覆膜微粒。该微粒在外力和高温作用下，覆膜层固化，使微小颗粒就像被焊接一样聚合在一起，部分高温液滴在快速冷却过程中收缩形成球状玻璃结构，微粒之间天然地形成了大量的、不规则的、相互连通的微小孔隙。

图2 镍铁渣吸声材料样块

图3 镍铁渣颗粒形貌

图4 驻波管法测试结构简图

2 实验结果与分析

2.1 粒度及密度测试

2.1.1 粒度分布测试结果及分析

对镍铁渣原状粒度进行筛分后所得分布结果见图5所示。

图5 镍铁渣粒度分布图

由图5可看到，镍铁渣粒度分布相对均匀，主要分布在10目～60目之间，占比高达94.77%；而占比较大的为16目＞40目＞24目，三者占比达70.5%。同时发现，粒度较小的镍铁渣中可见大量大针片状结构和棉结构，这是镍铁渣在水淬过程中产生的玻璃体和玻璃。根据上述筛分结果，本次研究拟选取镍铁渣中10～60目的颗粒进行聚合微粒吸声材料的试制。

2.1.2 堆积密度测试结果及分析

对不同粒度镍铁渣的紧密堆积密度测试结果见表1所示。

从表1可看出，和原状未筛分的镍铁渣相比，筛除10目以上和60目以下颗粒后，镍铁渣堆积密度降低，孔隙率提高，且粒度分布范围越窄，堆积密度越小。表明，单粒级或粒径范围越小，其紧密堆积密度越小，孔隙率越大。

2.2 粒径配比对镍铁渣吸声材料吸声性能的影响

结合镍铁渣粒度分布情况，以提高其利用率为原则，本次选取5种不同粒径镍铁渣配比（10～60目、10～50目、20～60目、30～50目及未筛原状颗粒）制备样块，并对不同粒径配比的样块在不同频率下的吸声性能进行测试。测试结果详见图6。

图6 不同粒径配比镍铁渣吸声材料的吸声性能

由图6可看出，5种配比的镍铁渣聚合微粒吸声材料样块的吸声性能变化趋势基本一致，在250 Hz～1000 Hz的中低频区间，其吸声性能都在0.6以上。这说明镍铁渣吸声材料是一种对中低频噪声具有高效吸声性能的吸声材料；因为镍铁渣为高温下极冷形成，疏松多孔，属于多孔材料，而多孔吸声材料主要依靠声波在多孔材料内部的空气黏滞性、摩擦、振动和空气热传导等方式，将声能转化为热量而被消耗掉[4]。因此，制备的镍铁渣聚合微粒吸声材料属于多孔吸声材料，其内部多为连通的开放孔，进一步增加了孔隙率。

此外，通过对图6曲线纵向对比可发现，未筛分的样块其吸声性能优于10～50目和10～60目的样块，且与最优的30～50目样块差值仅在0.02～0.14之间。这是由于未筛分颗粒中连续级配中的细小颗粒会填充于粗颗粒中，而占比5.3%的100目及以上的细微颗粒可将粗颗粒中的大孔隙填充分隔成更小的孔隙，进一步增加了孔隙率和比表面积。使得声波在多孔材料中的流阻增大，并在透入吸声材料时与颗粒孔隙表面接触的机会增多，进而消耗的声能增加。

2.3 胶凝溶剂对镍铁渣吸声材料吸声性能的影响

选取2种胶凝溶剂掺量（3.5%、5%）制备镍铁渣吸声材料样块，对不同掺量配比的样块在不同频率下的吸声性能进行测试。测试结果见图7。

图7 不同胶凝剂掺量镍铁渣吸声材料的吸声性能

由图7可以看出，在镍铁渣粒径配比不变的情况下，两种不同胶凝溶剂掺量的样块其吸声性能变化不大。其中10～60目配比样块中，3.5%和5.0%的胶凝溶剂掺量对材料的吸声系数影响不大；而20～60目配比样块中，胶凝溶剂掺量少的样块其吸声性能反而稍高于5%掺量的样块。这是由于在20～60目样块中，较多的胶凝溶剂更易将形成的微小孔隙封堵，致使其吸声性能反而稍微降低。因此，总的来看，胶凝溶剂掺量对材料的吸声系数影响不大，采用3.5%胶凝溶剂掺量的样块抗弯强度已达5.87 MPa，在满足强度要求情况下减少了吸声材料制作成本，而不影响吸声性能。

2.4 厚度对镍铁渣吸声材料吸声性能的影响

聚合微粒吸声材料的厚度不仅能决定材料的吸声性能，同时直接关系到吸声材料的制作成本。本次实验样品厚度分别选取4种不同厚度的样块（10 mm、20 mm、30 mm、50 mm）来进行吸声性能测试和分析，结果见图8。

表1 不同粒度镍铁渣堆积密度实验结果

图8 不同厚度镍铁渣吸声材料的吸声性能

由图8可知，镍铁渣聚合微粒吸声材料的吸声性能并不完全随样块厚度的增加而增大。从纵向变化来看，在小于500 Hz的波段内，吸声性能随着样块厚度的增加而增大；但在大于500 Hz的波段内，则呈现相反的趋势，随着样块厚度的增加，其吸声性能呈现大幅度的下降。可见，在空腔深度不变的情况下，镍铁渣吸声材料厚度对其吸声性能影响较大，但其厚度对吸声性能并非越厚越好。

此外，鉴于公路交通噪声的等效频率以1000 Hz以下的中低频区段为主[5]，且占多数的中小型车交通噪声频率主要分布在400 Hz～1000 Hz范围[6]。因此，结合图8可知，10 mm厚度聚合微粒样块的吸声性能更好地涵盖了这个频率范围，其吸声系数均在0.6及以上。表明10 mm厚度的聚合微粒吸声材料不仅可最大化提高对交通噪声所在频段的吸声性能，还能在实际应用中减少吸声材料的制作成本。

2.5 空腔深度对镍铁渣吸声材料吸声性能的影响

图9是相同配比镍铁渣聚合微粒吸声材料在吸声材料厚度不变情况下，改变空腔深度后，吸声性能随频率变化而变化的趋势。

图9 不同空腔深度镍铁渣吸声材料的吸声性能

由图9可以看出，相同配比的镍铁渣聚合微粒吸声材料（10 mm厚度），当空腔深度为40 mm时，其吸声系数峰值出现在1000 Hz处，而当空腔深度为90 mm时，其吸声系数峰值则向低频横向移动至500 Hz处，但两者吸声峰值大小基本一致。说明空腔深度的改变对吸声系数峰值影响不大，其主要影响的是吸声频带宽度和共振频率。

当入射声波的频率与吸声材料的固有频率相近时，会产生共振现象，在共振频率下吸声材料样块会极大消耗声波能量，出现吸声系数的最大值[7]；而空腔的深度直接影响到共振频率，增加空腔深度可以提高镍铁渣吸声材料对低频声波的吸声性能，共振频率向低频方向移动；而减小空腔深度则可以提高镍铁渣吸声材料对中频声波的吸声性能，共振频率向高频方向移动。

3 吸声型公路声屏障结构及测试

3.1 公路声屏障应用参数选取

根据以上参数实验结果分析，并结合声屏障设计和实际情况，综合考虑各种因素，建议镍铁渣应用于吸声型声屏障制备中选取的参数如下：

（1）粒径配比：30～50目镍铁渣样块吸声性能高于其他配比样块，但其对镍铁渣的使用率仅为40%，并不能实现对工业固废镍铁渣的全部回收利用。而未筛分镍铁渣原状粒径制作的样块其吸声性能优于10～50目和10～60目配比样块，且与30～50目样块差值仅在0.02～0.14之间，相差不大。因此，从环境保护及固废回收利用的角度来看，使用未筛分的镍铁渣原状粒径制作吸声材料可在不牺牲吸声性能的基础上，对工业固废实现完全回收利用，具有更好的环境效益和技术经济优势。

（2）胶凝溶剂掺量：3.5%胶凝溶剂掺量的样块抗弯强度已达5.87 MPa，在满足强度要求情况下减少了吸声材料制作成本，而不影响吸声性能。

（3）吸声材料厚度：10 mm厚度聚合微粒样块不仅可最大化提高对交通噪声所在频段的吸声性能，还能在应用中减少吸声材料的制作成本。

（4）空腔深度：增加空腔深度，可提高吸声材料对低频声波的吸声性能。“吸声材料厚度10 mm+空腔深度90 mm”组合吸声系数峰值在500 Hz左右，不仅满足“公路交通噪声等效频率主要分布在1000 Hz以下，且集中在500 Hz前后”的规律。

3.2 声屏障混响室测试

鉴于驻波管吸声测量与混响室吸声测量具有一定程度的偏差，在混响室中声波是无规入射，更符合实际情况。采用以上应用参数选取的建议，利用“10 mm吸声材料厚度+90 mm空腔深度”型吸声型声屏障结构，样块尺寸为1960 mm×500 mm×148 mm，共10块总面积9.8 m2，直接放在混响室地面按GB/T20247-2006进行测试。

混响室及声屏障样块结构简图如图10所示。

图10 混响室及声屏障结构简图

使用混响室测量镍铁渣聚合微粒吸声材料声屏障样块结果如图11所示。

图11 混响室中镍铁渣吸声模块的吸声性能

由图11可见，在200 Hz～5000 Hz频段内吸声性均大于0.5，说明其吸声性能高效。其吸声系数的峰值在350 Hz～500 Hz之间，与公路交通噪声等效频率主要分布在1000 Hz以下，且集中在500 Hz前后的规律相吻合，因此提高了交通噪声集中分布频段的吸声性能。经计算，本次镍铁渣聚合微粒吸声材料应用于声屏障结构后，其吸声系数NRC=0.68。表明利用镍铁渣聚合微粒吸声材料制作的吸声型声屏障具备高效的吸声性能，对公路交通噪声的降噪具有较好的适用性和针对性。

此外，镍铁渣聚合微粒吸声材料属于无机材料，具有优良的耐候性、耐酸碱性，长期使用不会发生粉化、沉降等不良变化，表面积灰后雨水可冲刷，长期使用吸声性能不受影响。且若报废，为聚合微粒块，可直接填埋，无二次污染，亦可回收再利用。因此，镍铁渣聚合微粒吸声材料是一种具有耐用性和适用范围广泛的新型吸声材料，具有较大的应用前景。

4 结语

（1）工业固废镍铁渣粒度分布相对均匀，主要分布在10目～60目之间，占比高达94.77%。

（2）镍铁渣聚合微粒吸声材料在250 Hz～1000 Hz区间，其吸声系数基本都在0.6以上，说明镍铁渣聚合微粒吸声材料是一种对中低频噪声具有高效吸声性能的新型多孔吸声材料，与公路交通噪声频率以1000 Hz以下的中低频区段为主相吻合。

（3）从环境保护及固废回收利用角度来看，使用未筛分的镍铁渣原状粒径制作吸声材料可在不牺牲吸声性能的基础上，对工业固废实现完全回收利用，具有更好的环境效益和技术经济优势。

（4）胶凝溶剂掺量对材料的吸声系数影响不大，采用3.5%的胶凝溶剂掺量可减少吸声材料制作成本，而不影响其吸声性能。

（5）镍铁渣聚合微粒吸声材料厚度对其吸声性能并非越厚越好，10 mm厚度聚合微粒样块不仅可最大化提高对交通噪声所在频段的吸声性能，还能在应用中减少吸声材料的制作成本。

（6）空腔深度的改变对吸声系数峰值影响不大，其主要影响的是吸声频带宽度和共振频率。增加空腔深度可提高对低频声波的吸声性能，共振频率向低频方向移动。

（7）“吸声材料厚度10 mm+空腔深度90 mm”吸声型声屏障结构在200 Hz～5000 Hz频段内吸声性均大于0.5，说明其吸声性能高效。

（8）镍铁渣聚合微粒吸声材料是一种对中低频交通噪声具有高效吸声性能的新型吸声材料，其具有耐候、耐酸碱、不粉化沉降、无二次污染等优势，长期使用吸声性能不受影响，具有较大的应用前景。

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