正交试验优化制备多孔陶瓷吸声材料

高富强，曾令可

（1. 广州能源检测研究院，广东 广州 511447；2. 华南理工大学，广东 广州 510640）

正交试验优化制备多孔陶瓷吸声材料

高富强1，曾令可2

（1. 广州能源检测研究院，广东 广州 511447；2. 华南理工大学，广东 广州 510640）

设计了L9(34)正交实验，选择抛光砖废料、普通水泥、冷却速度作为因素，以平均吸声性能和强度作为评价指标。正交实验结果表明：冷却速度对吸声材料综合性能和平均吸声系数的影响最显著，而冷却速度对强度的影响不显著。普通水泥加入量愈多，发泡效果愈好，吸声效果愈明显，但制品强度愈差；冷却速度越快，平均吸声性能越好，对强度影响较小。关键词：正交试验；多孔陶瓷；吸声材料

0 引 言

随着工业和城镇化的迅速发展，噪声污染日趋严重，不仅影响人们正常的工作、学习和生活，而且危害人体健康[1-3]。为达到降低噪声的目的，开发优良的吸声材料显得十分重要[4-6]。本文根据吸声材料应具备安全性、装饰性和低成本的原则，采用严重污染环境的陶瓷抛光砖废料为原料，设计正交试验优化制备适于在多种场合使用的多孔陶瓷吸声材料。

1 实 验

实验所用主要原料及其成分如表1和表2所示。抛光砖废料、普通水泥等原料取自佛山欧神诺陶瓷股份有限公司。

为了调整坯料的性能，获得分散性能好的坯料，制备出的坯体具有一定强度。一般需要加入一些添加剂，实验所用的分散剂是三聚磷酸钠，坯体增强剂是羧甲基纤维素。

本文所用的主要实验设备及分析仪器见表3所示。

为制备理想的多孔陶瓷吸声材料，采用正交实验优化配方：采用正交表L9(34)，设计三因素三水平的正交实验，以陶瓷基础料为主要原料，考察A(抛光砖废料加入量)、B(外加剂普通水泥加入量)及C(冷却速度)的影响。在以上单因素实验结果分析基础上选择合适的水平范围，选定抛光砖废料(A)的掺量为25-35%；胶凝材料普通水泥(B)的掺量为5-15%，冷却速度(C)的时间为30 min-2 h，以断裂模数和吸声性能为评价指标，见表4。

按照表5的配方，取原料陶瓷基础料、抛光砖废料(A)，及0.5%的三聚磷酸钠作为分散剂，0.1%的聚甲基纤维素作为增强剂，球磨混合、干燥造粒，再加入外加剂普通水泥(B)、3%STPP，人工混合充分。在15 MPa半干法压机压制100×100 mm规格样品，用电热鼓风干燥箱100 ℃干燥至恒重，电炉烧成，抛光1.5-2 mm平整后得到样品。

采用驻波管法测定吸声系数，具体使用JTZB吸声系数测试系统，生产厂家为北京世纪建通科技发展有限公司，该测试系统符合国家标准GBJ88-1985《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》。

表1 实验用的主要原料及其成份 (wt.%)Tab.1 Main raw materials and their components (wt.%)

表2 化工原料Tab.2 Chemical materials

表3 实验用主要仪器设备Tab.3 Main instruments and equipment

表4 正交实验的因素与水平Tab.4 Factors and levels of the orthogonal experiment

2 结果与分析

通过实验后，得出配方不同配比下的烧成样品，并对其进行强度和吸声性能测试。为测试吸声性能，利用水刀对试样切制成直径99.5 mm的圆片后，得到的实物见图1。

在表6中，均值定义为[Kij]平均=Kij/n，其中，Kij为第j列上水平号为i的各实验结果之和，n为第j列上水平号i出现的次数。[Kij]平均表示第j列的因

素取水平i时，进行实验所得实验数据的平均值。极差既可定义为Rj=maxi{Kij}-mini{Kij}，也可定义为Rj=maxi{[Kij]平均}-mini{[Kij]平均}，在本实验中，取后者进行计算。计算过程如下：

表5 配方设计Tab.5 Formula design

表6 正交实验表及结果分析Tab.6 Orthogonal experiments and result analysis

平均吸声系数的[K11]平均=(0.316+0.215+0.147)/3 =0.226

同理，计算其它列的极差，结果列在表6中。分析可知：在实验考察范围内，冷却速度(C)对吸声材料综合性能和平均吸声系数的影响最显著，而冷却速度(C)对强度的影响不显著。

图1 正交实验配方烧成的样品图Fig.1 Samples prepared by orthogonal experiment

图2 正交实验效应曲线图Fig.2 The orthogonal experiment effect curves

图3 各样品的平均吸声系数和显气孔率Fig.3 Average sound absorption coeff i cients and apparent porosities

表7 样品其它性能Tab.7 Other properties of the samples

极差的不同可以反映出各因素水平的改变对实验结果的影响是不同的。在本实验中，各因素对吸声性能影响的大小顺序为C＞B＞A，即冷却速度＞普通水泥量＞抛光砖废料量，而各因素对强度影响的大小顺序为B＞A＞C，即普通水泥量＞抛光砖废料量＞冷却速度。因子的水平和平均吸声系数、强度的关系见图2。通过正交实验效应曲线图直观得到：普通水泥加入量愈多，发泡效果愈好，吸声效果愈明显，但制品强度愈差；冷却速度越快，平均吸声性能越好，但对强度影响不大。

试样其它性能测试结果见表7和图3。分析表7、图3数据可知，材料的吸声系数与孔隙率，尤其与显气孔率存在很大关系。材料的吸声系数与显气孔率存在正相关，与闭孔率没有明显的关系。那是因为孔隙率、显气孔率愈高，孔与孔之间三维连通的程度愈高，孔隙延伸的曲折度就愈大，内部通道愈复杂，就使得声波入射进入材料后，在连通孔隙中消耗更大，因此吸声性能相应得到提高。降低体积密度、增加显气孔率、增大孔隙壁的粗糙程度可以提高孔隙中空气的粘滞性，因此增加三维连通型气孔有利于提高粘滞阻力，进而改善材料的吸声性能。但通常气孔孔径小的试样其显气孔率较低，因此吸声性能也相应较差。

3 结 论

通过L9(34)正交实验结果表明，最佳配方及条件为：陶瓷基础料75wt.%，抛光砖废料25wt.%，外加普通水泥10wt.%，三聚磷酸钠3wt.%，较佳冷却时间为0.5 h。冷却速度对吸声材料综合性能和平均吸声系数的影响最显著，而冷却速度对强度的影响不显著。通过正交实验效应曲线图直观得到：普通水泥加入量愈多，发泡效果愈好，吸声效果愈明显，但制品强度愈差；冷却速度越快，平均吸声性能越好，对强度影响不大。

[1] 曾令可, 金雪莉, 刘艳春. 陶瓷废料回收利用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010: 97-118.

[2] 谢代义, 吴清仁, 杨媛, 等. 陶瓷抛光废料对多孔陶瓷轻质砖性能及结构影响的研究[J]. 中国陶瓷, 2008, 44(1): 26-29.

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Preparation of Porous Ceramics Sound Absorption Material through an Orthogonal Experiment

GAO Fuqiang1, ZENG Lingke2
(1. Guangzhou Institute of Energy Testing, Guangzhou 511447, Guangdong, China; 2. South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

The orthogonal experiment of L9(34) was carried out, choosing the polished brick waste, cement, and cooling speed as the factors, the average sound absorption performance and intensity as the evaluation indexes. The best recipe was selected. The result shows that the inf l uence of the cooling rate on the comprehensive performance and the average sound absorption coeff i cient of the sound absorbing material was the most obvious, and the effect of the cooling rate on the intensity of the sound absorbing material was not signif i cant. The more amount of cement, the better the foaming and sound-absorbing effect. However, the strength of the prepared material was poor. The faster the cooling rate, the better the average sound absorption performance. The cooling rate had smaller inf l uence on the strength of the prepared material.

orthogonal experiment; porous ceramics; sound absorption material

date:2017-05-16. Revised date: 2017-05-18.

TQ174.75

A

1006-2874(2017)04-0005-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.04.002

2017-05-16。

2017-05-18。

高富强，男，硕士，工程师。

Correspondent author:.GAO Fuqiang, male, Master, Engineer.

E-mail:406148924@qq.com