本发明涉及消声器用消声材料领域，具体而言，涉及一种多孔硅砂通风消声球及其制备方法与应用。
背景技术：
随着现代工业和交通运输事业的发展以及环保意识的增强，人们对声音环境的要求也越来越高，消声降噪正逐渐成为一个有关高科技、环境以及人类协调发展急需解决的重要课题。
吸声是声波通过媒质或入射到媒质界面上时声能的减少过程。大多数材料都有一定的吸声能力，一般把6个频率下(125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz)平均吸声系数大于0.2的材料称为吸声材料。
目前市场上常用的消声器材与材料，通常耐候、耐酸碱、防潮、抗冻、环保等性能不佳，并且消声性能不能进行任意定制，在应用时暴漏出各种各样的问题。在实际生产与安装过程，不能实现大规模备货，现场随意灵活组装的现状。多孔硅砂通风消声球可实现零散球体元件规模化备货，现场根据通道消声需求，进行灵活布设与施工的优势。有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种多孔硅砂通风消声球，所述的消声球具有吸声、耐候、耐酸碱、防潮、抗冻、环保等优点。
本发明的第二目的在于提供一种所述的多孔硅砂通风消声球的制备方法，该方法操作简单，易于实现。
本发明的第三目的在于提供一种所述的多孔硅砂通风消声球在降低通风通道噪音中的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种多孔硅砂通风消声球，按重量份计，所述消声球主要由以下原料制成：
砂粒75～85份、硅酸钠12～18份、硅酸镁2～4份、硅酸锂1～3份、活化剂0.1～0.4份；
按质量百分数计，所述活化剂包括以下组份：
铜粉35％～60％、氧化镁20％～40％、铝粉15％～20％、玻璃粉5％～15％。
砂粒主要成分为石英或矿物颗粒，其空隙率大，可为吸声材料提供结构基础；
硅酸盐的作用主要是提供粘结力以促进消声球的成型，同时赋予消声球以阻燃性能和足够的强度。本发明提供的消声球中砂粒含量较高，为了提供优秀粘结性能且不对吸声材料的孔隙率造成过多干扰，因此优选的硅酸盐作为成型原料。为强化其成型能力，也可以在其中添加一部分硅酸盐水泥熟料等作为辅助粘合剂。
硅酸钠是一种水溶性硅酸盐，是一种无机黏合剂，其粘结力强、强度较高，耐酸性、耐热性好，是硅酸盐粘合剂的主要成分；
硅酸镁与其他几种材料复合后，具有优良的隔热、防火、抗压性能，是理想的建筑节能材料；
硅酸锂是金属锂与硅酸反应时生成的一系列的化合物，可与硅酸钠、硅酸镁配合形成稳固的黏合剂。
具体的，硅酸盐是以水玻璃的形式作为无机胶合剂起作用的。与有机胶黏剂相比，硅酸盐胶黏剂具有耐燃性好、耐酸性强、环保无毒、制备工艺简单等优点，且本发明提供的硅酸盐配比耐久性好，胶黏性能强，制成的消声球强度高。
所述活化剂可对水玻璃进行改性，增强其性能，降低固化温度。
优选的，按质量百分数计，所述活化剂包括以下组份：
铜粉40％～50％、氧化镁25％～35％、铝粉16％～18％、玻璃粉8％～12％。
硅酸盐胶黏剂虽然存在着各种优点，但其缺点也比较突出，即粘结强度低。针对其此缺点，本发明通过活化剂的方法对其进行改性以使其具有优秀的粘结强度和耐水性能。
硅酸盐胶黏剂在脱水固化的过程中，硅酸盐的自由羟基会与固化剂(在本发明中，固化剂为砂粒中的氧化硅)以及活化剂融合形成以固化剂为核心的类似陶瓷的网状结构。
其中，铜粉在固化过程中会被氧化成CuO，而CuO可有效增强胶黏剂的剪切强度，且CuO还可以有效降低固化温度以及固化时间；
铝粉同样会被氧化成Al2O3，还会生成一部分的Al(OH)3；铝粉和氧化镁的添加量均是与铜粉的添加量相适应的，可用来增加硅酸盐胶黏剂的耐候性及剪切强度；
玻璃粉末为机无定型硬质颗粒，生产中使用原料为PbO、SiO2、TiO2等电子级原料混匀后，再高温进行固相反应，形成无序结构的玻璃均质体，化学性质稳定，可用于增加硅酸盐胶黏剂的耐候性及耐腐蚀性。
优选的，如上所述的多孔硅砂通风消声球，所述硅酸钠为4模硅酸钠。
硅酸钠的分子式为Na2O·nSiO2，石英砂和碱的配合比例即SiO2和Na2O的摩尔比决定着硅酸钠的模数n，模数即显示硅酸钠的组成，模数是硅酸钠的重要参数，一般在1.5～3.5之间。模数越大，固体硅酸钠越难溶于水，n为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解，n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。硅酸钠模数越大，氧化硅含量越多，硅酸钠粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大，因此不同模数的硅酸钠有着不同的用处。
本发明一方面需要尽量减少粘合剂的添加量，一方面又不能妥协吸声材料的强度，因此优选采用了4模硅酸钠与既定配比的硅酸镁及硅酸锂配合，有效的增加了胶黏的强度。
优选的，如上所述的多孔硅砂通风消声球，所述消声球球体直径为10mm～50mm。
进一步优选的，所述消声球分大球，中球，小球三种规格；
所述大球球体直径为40mm～50mm；
所述中球球体直径为20mm～40mm；
所述小球球体直径为10mm～20mm。
进一步优选的：
在所述大球中，所述砂粒由40～100目的砂粒和100～120目的砂粒按照(4～6):1的重量比例混配而成；
在所述中球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～300目的砂粒按照1：(4～6)的重量比例混配而成；
在所述小球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～200目的砂粒按照1：(6～8)的重量比例混配而成。
在本发明中，多孔硅砂通风消声球的降噪效果一方面取决于消声球的直径、不同直径消声球的彼此配合、其在通风通道中排布的方式以及布设的长度，另一方面也与消声球本身的结构有关。具体的，本发明中大球的结构较为疏松，而小球较为致密，当声波从通道中消声球穿越时，因为消声球的多孔吸声特性，再加上声波在不同孔隙率的消声球之间进行干涉，使得声能转化成热能而实现消声的目的。
优选的，如上所述的多孔硅砂通风消声球的制备方法，包括如下步骤：
1)、将所述硅酸钠、硅酸镁、硅酸锂制成水玻璃；
2)、将步骤1)得到的水玻璃与所述砂粒及所述活化剂混合搅拌均匀，加热固化成型。
该制备方法简单易行，利于操作。
优选的，如上所述的多孔硅砂通风消声球的制备方法，在步骤1)中，所述水玻璃的制备方法为：
将所述硅酸钠、硅酸镁、硅酸锂加入35～45份水中，在6～8个大气压进行压蒸反应制成水玻璃。
由于本发明中采用高模硅酸钠作为胶黏剂的主要成分，而模数越大，粘结力增大，但同时其溶解度也不断降低，因而采用6～8个大气压进行压蒸反应以促进硅酸盐的溶解。
优选的，如上所述的多孔硅砂通风消声球的制备方法，在步骤2)中，所述加热固化成型的条件为：
200℃～250℃固化40min～80min。
由于活化剂的加入，本发明的固化温度和固化时间得以降低，在此温度下固化得到的消声球强度高、耐剪切性能好。
如上所述的多孔硅砂通风消声球在降低通风通道噪音中的应用，其特征在于，将所述消声球填充于所述通风通道中；
优选的，将所述大球、中球和小球按照1：(2～3)：(10～15)的数量比进行均匀填充。
本发明提供的大球、中球和小球的配比是权衡对各频段声音的综合吸收效果后进行设置的。
在具体的应用中，应根据实际需要对各种球体的比例进行调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)、本发明提供的多孔硅砂通风消声球由不同粒径的砂粒与特定配比的硅酸盐及活化剂按照其特定比例混合后固化而成。砂粒通过硅酸盐采用特定工艺粘接在一起时，不同的砂粒制作而成的不同直径的砂球，形成一个独立的消声元件，多个消声元件便形成了通风消声器。通过此制作工艺，砂粒粒径与球体大小均可精确地调控，进而确定了消声通道的消声性能，由此生产出各种不同流阻与吸声特性的多孔硅砂通风消声球。
2)、本发明将不同孔隙结构的三种多孔硅砂通风消声球配合使用，当声波从通道中的消声球穿越时，声波在多角度的入射情况下在消声球之间穿越，特定频率的声波在消声球之间穿越时相互干涉消耗一部分声能。同时，因为硅砂球的多孔吸声特性，使得声能转化成热能而消耗一部分声能。进一步的，通过合理限定三种不同孔隙率及尺寸的消声球的配比，可最大程度的增加对不同频率噪音的吸收效率。
3)、本发明提供了一种新型水玻璃活化剂，所述活化剂与特定配比的硅酸盐配合，黏合效果好，强度高，还具有阻燃性能和耐候性能，且不对材料本身的吸声效果造成影响。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种多孔硅砂通风消声球，按重量份计，所述消声球主要由以下原料制成：
砂粒75份、4模硅酸钠12份、硅酸镁4份、硅酸锂1份、活化剂0.1份；
按质量百分数计，所述活化剂包括以下组份：
铜粉35％、氧化镁40％、铝粉20％、玻璃粉5％。
其制备方法为包括如下步骤：
1)、将所述硅酸钠、硅酸镁、硅酸锂制成水玻璃；
2)、将步骤1)得到的水玻璃与所述砂粒及所述活化剂混合搅拌均匀，加热固化成型。
将所述消声球分大球，中球，小球按照三种规格进行成型；
所述大球球体直径为40mm～50mm；在所述大球中，所述砂粒由40～100目的砂粒和100～120目的砂粒按照6:1的重量比例混配而成；
所述中球球体直径为20mm～40mm；在所述中球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～300目的砂粒按照1：6的重量比例混配而成；
所述小球球体直径为10mm～20mm；在所述小球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～200目的砂粒按照1：8的重量比例混配而成。
实施例2
一种多孔硅砂通风消声球，按重量份计，所述消声球主要由以下原料制成：
砂粒85份、4模硅酸钠18份、硅酸镁2份、硅酸锂3份、活化剂0.4份；
按质量百分数计，所述活化剂包括以下组份：
铜粉60％、氧化镁20％、铝粉10％、玻璃粉10％。
其制备方法为包括如下步骤：
1)、将所述硅酸钠、硅酸镁、硅酸锂加入45份水中，在6～8个大气压进行压蒸反应制成水玻璃；
2)、将步骤1)得到的水玻璃与所述砂粒及所述活化剂混合搅拌均匀，于200℃～250℃固化40min～80min成型。
将所述消声球分大球，中球，小球按照三种规格进行成型；
所述大球球体直径为40mm～50mm；在所述大球中，所述砂粒由40～100目的砂粒和100～120目的砂粒按照4:1的重量比例混配而成；
所述中球球体直径为20mm～40mm；在所述中球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～300目的砂粒按照1：4的重量比例混配而成；
所述小球球体直径为10mm～20mm；在所述小球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～200目的砂粒按照1：6的重量比例混配而成。
实施例3
一种多孔硅砂通风消声球，按重量份计，所述消声球主要由以下原料制成：
砂粒80份、4模硅酸钠15份、硅酸镁3份、硅酸锂2份、活化剂0.3份；
按质量百分数计，所述活化剂包括以下组份：
铜粉40％、氧化镁35％、铝粉17％、玻璃粉8％。
其制备方法为包括如下步骤：
1)、将所述硅酸钠、硅酸镁、硅酸锂加入35份水中，在6～8个大气压进行压蒸反应制成水玻璃；
2)、将步骤1)得到的水玻璃与所述砂粒及所述活化剂混合搅拌均匀，于200℃～250℃固化40min～80min成型。
将所述消声球分大球，中球，小球按照三种规格进行成型；
所述大球球体直径为40mm～50mm；在所述大球中，所述砂粒由40～100目的砂粒和100～120目的砂粒按照5:1的重量比例混配而成；
所述中球球体直径为20mm～40mm；在所述中球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～300目的砂粒按照1：5的重量比例混配而成；
所述小球球体直径为10mm～20mm；在所述小球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～200目的砂粒按照1：7的重量比例混配而成。
实施例4
一种多孔硅砂通风消声球，按重量份计，所述消声球主要由以下原料制成：
砂粒80份、4模硅酸钠15份、硅酸镁3份、硅酸锂2份、活化剂0.2份；
按质量百分数计，所述活化剂包括以下组份：
铜粉50％、氧化镁25％、铝粉16、玻璃粉9％。
其制备方法为包括如下步骤：
1)、将所述硅酸钠、硅酸镁、硅酸锂加入40份水中，在6～8个大气压进行压蒸反应制成水玻璃；
2)、将步骤1)得到的水玻璃与所述砂粒及所述活化剂混合搅拌均匀，于200℃～250℃固化40min～80min成型。
将所述消声球分大球，中球，小球按照三种规格进行成型；
所述大球球体直径为40mm～50mm；在所述大球中，所述砂粒由40～100目的砂粒和100～120目的砂粒按照5:1的重量比例混配而成；
所述中球球体直径为20mm～40mm；在所述中球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～300目的砂粒按照1：5的重量比例混配而成；
所述小球球体直径为10mm～20mm；在所述小球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～200目的砂粒按照1：7的重量比例混配而成。
应用例
将实施例1～4所述的多孔硅砂通风消声球填充于所述通风通道中进行降噪应用；具体的，所述通风通道长2米，横截面为半径20cm的圆形。
优选的，将所述大球、中球和小球按照1：(2～3)：(10～15)的数量比进行均匀填充。
具体的，应用例1为：将实施例1制得的消声球按照1：3：10的数量比进行均匀填充；
应用例2为：将实施例2制得的消声球按照1：2：15的数量比进行均匀填充；
应用例3为：将实施例3制得的消声球按照1：2：13的数量比进行均匀填充；
应用例4为：将实施例4制得的消声球按照1：3：13的数量比进行均匀填充。
实验例1
以应用例4为基础设计对比例：
对比例1：将所述消声球换为直径为20mm～40mm的一种；且砂粒的目数在40～300目内自由分布，其余设置方式与应用例4相同。
对比例2：所述消声球仍为大中小三种进行成型，不同之处在于：
在所述大球中，所述砂粒由40～100目的砂粒和100～120目的砂粒按照2:1的重量比例混配而成；
在所述中球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～300目的砂粒按照1：2的重量比例混配而成；
在所述小球中，所述砂粒由40～80目的砂粒和120～200目的砂粒按照1：3的重量比例混配而成。
对比例3：所述消声球仍为大中小三种进行成型，且砂粒的粒径也与应用例4相同，不同之处在于消声球按照1：4：8的数量比进行均匀填充
检测应用例1～4及对比例1～3在不同声音频率下的吸声能力，结果如表1所示。
表1不同频率下吸声能力比较
从上表可知，本发明所采用的不同大小消声球的配比，及不同球中砂粒的粒径比例对消声球的吸声能力影响非常大，特别是对于500Hz以下的偏低频的噪音吸收能力的影响尤为显著。
实验例2
以实施例4为基础设计对比例4，区别在于对比例4中未添加活化剂，适应的将固化条件改为460℃～550℃固化80min～120min。
对实施例1～4及对比例4制得的消声球的各项性能进行检测(只检测中球的参数)，结果如表2所示。
表2性能参数
由表2可知，本发明各实施例提供的多孔硅砂通风消声球，均具有优秀的防火能力，环保性能、湿胀率及抗紫外线的能力也都非常好，且强度高，耐候性好。而对比例4由于未添加活化剂，机械强度、耐候性等性能都有大幅度的降低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。