ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Формирование оптимальной пористой структуры Акустических материалов и изделий

Так же как для теплоизоляционных материалов, вид пористой структуры и характеристика пористости являются определяющими показателями качества для акустических материалов.

Их функциональные и строительно-эксплуатационные свойства тесно связаны с видом скелетообразующего материала и соответ­ствующими ему технологическими приемами и параметрами полу­чения того пли иного пористого материала, позволяющими направ­ленно изменять объем и характеристики пористости.

Формирование оптимальной пористой структуры звукопогло­щающих материалов и изделий предопределяет эффективность звукопоглощающих конструкций. Свойства звукопоглощающих материалов и изделий и прежде всего звукопоглощение зависят от сообщающейся (сквозной) пористости, распределения пор по раз­мерам, вида пор (волокнистые, ячеистые, зернистые).

А)

Большое влияние на звукопоглощение оказывают вид пор на поверхности материала и характер пористости внутри его. По об­щепринятой классификации различают закрытые и открытые поры, замкнутую и сообщающуюся пористость. Основываясь на этой клас­сификации и на физических явлениях гашения звуковых волн в вы­сокопористых материалах, Б. М Румянцев предложил подразделе­ние пор на акустически активные и акустически пассивные (рис. 5.5). К акустически активным отнесены открытые поры, размеры которых соизмеримы с длиной звуковой волны. К акустически пас­сивным отнесены закрытые поры, не имеющие непосредственного выхода на поверхность материала. Сквозная пористость с тупиковы­ми порами и открытые несообщающиеся поры отнесены к категории нолупасенвных. Среди открытых нор выделены гидравлически пра­вильные норы, характеризующиеся низкими значениями входного сопротивления (материалы с зернистой структурой); поры с посто­янным сопротивлением (материалы с волокнистой структурой); гидравлически неправильные поры с высоким входным сопротивле­нием (материалы с ячеистой структурой). В соответствии с таким нодра щелеинем наименьшей тукопоглошающон способностью должны обладать материалы с ячеистой пористой структурой. Практика подтверждает эго положение. Если учесть влияние струк­турного фактора х и модуля объемной упругости воздуха в различ­но
ных порах к, зависящего от характера пористости (полностью сквозная, сквозная с наличием тупиковых пор и т. п.), размеров пор и величины межпоровых ходов, то можно конкретизировать акусти­ческую характеристику пор. При этом следует иметь в виду, что звукопоглощение материала увеличивается с приближением значе­ний структурного фактора х и модуля объемной упругости к едини­це и снижается при увеличении этих показателей. В этом случае подразделение пор по акустической активности с достаточной сте­пенью достоверности можно характеризовать следующими пока­зателями % и к: для акустически активных и гидравлически пра­вильных пор xe 1Ї х=1; для пор с постоянным сопротивлением Х=2...3, х>1; для гидравлически неправильных пор х=4, х>»1.

Для оценки возможности получения эффективных звукопогло­щающих материалов необходимо рассматривать не только вид пористой структуры, но и размеры пор, поскольку этот параметр тесно снизан с частотой поглощаемого звука. Так, увеличение зву­копоглощения на низких частотах может быть достигнуто за счет наличия в материале крупных пор, а на высоких — за счет мелких пор. Следовательно, для поглощения звука в широком диапазоне частот необходимо сочетание крупных и мелких пор. Однако при этом следует учитывать то обстоятельство, что существуют грани­цы нижнего и верхнего пределов крупности пор для каждого вида пористой структуры. С уменьшением размера пор при сохранении абсолютных значений пористости увеличивается их количество и, следовательно, поверхность пор. Однако очевидным является и то, что при превышении какого-то предела существенно повысится входное сопротивление материала звуковым волнам и поры перей­дут в категорию акустически пассивных.

Исследованиями установлено, что минимально допустимые раз­меры пор, активно участвующих в гашении звука, должны состав­лять 100 мкм. Для волокнистых пористых структур наибольший эффект при гашении низкочастотного звука достигается в случае наличия пор размером 350...400 мкм и 20...50 мкм — при гашении высокочастотного звука.

Ограничение верхнего предела крупности пор (примерно 400... 500 мкм) связано с тем, что дальнейшее увеличение размеров пор вызывает существенное увеличение инерционной составляющей воз­духа по сравнению с его вязкостью. Поэтому независимо от вида пористой структуры материала коэффициент звукопоглощения при увеличении размеров пор уменьшается.

Следовательно, для достижения наибольшего эффекта звуко­поглощения необходимо учитывать превалирующую частоту звука в данном помещении и, сообразуясь с ней, применять звукопогло­щающий материал с оптимальной для данной частоты пористой структурой, характеризующейся ее видом, размером иор и их рас­пределением по крупности.

Таким образом, на основании рассмотрения влияния пористой структуры на функциональные свойства звукопоглощающих мате - г 67 риалов можно сформулировать положения, определяющие опти­мальную структуру этих материалов.

Во-первых, материал должен характеризоваться многомодаль­ной пористостью, т. е. наличием различных по размерам пор в пределах нижнего и верхнего пределов крупности, обеспечивающих гашение звуковых волн в широких диапазонах частот.

Во-вторых, количество сообщающихся пор должно быть доста­точным (70...90%) для обеспечения прохождения звуковой волны в толщу материала и достижения фильтрационного режима его ра­боты, характеризующегося наличием наибольшего трения воздуха о стенки пор материала и, следовательно, наибольшим эффектом перевода звуковой энергии в тепловую.

В-третьих, вид и размеры пор, соотношение объемов открытой и закрытой пористости должны обеспечивать необходимое сопротив­ление продуванию, численно рапное (1...2) ррС0 при гашении звука низких н средних частот и примерно ЮроС0 при гашении высокочас­тотного звука.

Оптимизация пористой структуры для улучшения строительно - эксплуатационных свойств базируется на тех же основных парамет­рах, что и для теплоизоляционных материалов. В связи с этим в данном разделе этот вопрос подробно не рассматривается.

Однако следует отметить весьма важную особенность звукопо­глощающих материалов — преобладание открытой сообщающейся пористости. Это обстоятельство делает их весьма чувствительными к изменениям условий эксплуатации: относительной влажности воз­духа, температуры, механических нагрузок, которые вызывают на­бухание, коробление, прогибы изделий и другие нежелательные из­менения.

Отношение материалов к действию влаги в значительной степени определяет их эксплуатационные возможности Знакопеременные процессы, связанные с колебаниями влажности, вызывают обрати­мые и необратимые изменения структуры материалов и практически всегда сопровождаются потерей прочности. Наличие в звукопогло­щающих материалах довольно большого количества капилляров и мелких пор определяет их высокую сорбционную способность. Ад­сорбция водяных паров, находящихся в воздухе, — процесс обрати­мый, который имеет место при малых давлениях пара и характери­зуется образованием мономолекулярного слоя воды на поверхности пор. При увеличении концентрации пара в воздухе на поверхности пор моїут образовываться многомолекулярные слои, которые в мик­ропорах смыкаются с образованием вогнутых или выпуклых менис­ков _

Установлено, что размер пор, в которых происходит капилляр - пая конденсация влаги при нормальных температурно-влажност - пых условиях, (опавляет 0,2 мкм. В порах большего диаметра >кч процесс in і р тнсн <'.ледова те. п. по, при формировании порис­той структуры звукопоглощающих маїерпалов необходимо стрс-

Весьма действенным приемом, снижающим сорбционную способ­ность материалов, является введение гидрофобных добавок. Другим способом повышения водостойкости материалов является перевод водорастворимых компонентов в нерастворимое состояние путем введения соответствующих добавок — модификаторов.

Важным показателем эксплуатационной стойкости звукопогло­щающих материалов является биологическая стойкость. Установле­но, что из общего числа повреждений 15...20% приходится на мик­робиологическую коррозию, которая имеет место в материалах, содержащих как органические, так и минеральные вещества. Ув­лажнение материалов способствует развитию биологической кор­розии.

В общем виде биологическая коррозия — сложный многоплано­вый процесс, зависящий от состава материала и параметров окру­жающей среды.

Весьма действенным способом повышения биостойкости строи­тельных материалов вообще и звукопоглощающих, в частности, яв­ляется введение в состав материалов антисептиков с учетом вещест­венного состава этих материалов. Повышение биостойкости обеспечивается также исключением условий, способствующих появ­лению и размножению микроорганизмов путем создания необходи­мых температурно-влажностных режимов в помещениях, снижения сорбционной способности материалов и т. п.

Таким образом, качество звукопоглощающих материалов глав­ным образом зависит от их пористой структуры, определяющей как их функциональные, так и строительно-эксплуатационные свойства.

Для получения звукопоглощающих материалов применяют те же способы поризации, что и при производстве теплоизоляционных материалов. Однако технологические приемы и параметры изменя­ют с целью создания наибольшего количества сообщающихся пор и оптимизации их размеров.

Звукопоглощение материалов, получаемых на основе минераль­ных волокон, во многом зависит от расположения волокон в объеме материала. Оно может быть горизонтальным, вертикальным, хао­тичным (произвольным) и в виде гранул.

С технологических позиций наиболее простым способом уклад­ки волокон является их горизонтальное расположение. Такая ук­ладка обеспечивается при подпрессовке ковра в камере волокно - осаждение, при отливе ковра на длинносетчатых машинах. Уклад­ка волокон в виде гранул требует их предварительной грануляции. Наиболее ярко выраженная произвольная укладка волокон имеет место при получении изделий методом напыления. Существуют способы, позволяющие получать изделия с вертикальной направ­ленностью волокон.

Іакнм образом, в зависимости от способа укладки и уплотне­ния волокон можно получать пористость, различную по форме, пе­соличине и направленности. Горизонтальное расположение волокон обеспечивает получение в основном одномодальной (примерно равноразмерной) пористости, объем которой определяется степенью уплотнения ковра, отсутствием или наличием связующего вещества и его количеством.

Размер же пор при постоянной массе материала зависит глав­ным образом от толщины применяемых волокон. В этом случае структура характеризуется сообщающимися порами, вытянутыми в горизонтальном направлении. Такое расположение пор является не всегда благоприятным для эффективного звукопоглощении, так как ухудшаются условия для вхождения звуковых волн в материал при их направленности по нормали к его поверхности.

Пористость, расположенная вертикально, т. е. по нормали по от­ношению к поверхности материала, создает благоприятные условия для прохождения звуковых волн в толщу материала. Однако в этом случае сопротивление продуванию существенно уменьшается и для достижения эффективного звукопоглощения требуется существен­ное увеличение толщины звукопоглощающего материала.

Произвольное расположение волокон позволяет получать более разнообразное сочетание пор по величине и расположению. Такая структура обеспечивает наиболее благоприятные условия для про­хождения звуковых волн в толщу материала и их гашение в огра­ниченном объеме. Поры в этом случае характеризуются различны­ми размерами, что позитивно сказывается на звукопоглощении волн в весьма широком диапазоне частот.

Пористость материалов из гранулированных минеральных во­локон носит ярко выраженный двухмодальнын характер: крупные сообщающиеся поры располагаются между гранулами и мелкие — внутри гранул. С точки зрения процесса затухания звуковой вол­ны такая пористость близка к идеальной. Она обеспечивает свобод­ное проникновение звуковых волн в толщу материала и интенсивное гашение звука за счет колебаний воздуха, находящегося в порах гранул. При этом диапазон звуковых волн, подвергающихся гаше­нию, заведомо шире, чем во всех приведенных выше случаях. При получении такого вида пористости возникают легко осуществимые возможности направленного регулирования пористой структуры: изменение гранулометрии и плотности гранул, диаметра и длины волокон, степени подпрессовки при формовании изделий, количества и вида связующего.

Содержание связующего в волокнистых материалах определяет­ся необходимостью достижения определенной прочности, обеспечи­вающей транспортирование и монтаж изделий. Во всех случаях увеличение содержания связующего в составе материала приводит к уменьшению пористости. Поэтому целесообразно достигать повы­шения прочности за счет применении связующего с высокими адге­зионно коге. шоппымн свойствами.

Таким образом, оптимальная пористая структура волокнистого звукопоглощающего материала характеризуется двухмодальной го пористостью, образованной гранулами из тонких минеральных во­локон, контактно омоноличенных связующим, обладающим высоки­ми адгезионно-когезионными свойствами.

Для получения звукопоглощающих изделий с ячеистой пористой структурой применяют способы пено- и газообразования. Регулиро­вание показателей пористости осуществляют в этом случае, исполь­зуя те же основные принципы, что и при получении теплоизоляцион­ных материалов. Однако характер пористой структуры у теплоизо­ляционных и звукопоглощающих материалов с позиций обеспечения высоких функциональных свойств должен иметь принципиальные различия. Эти различия прежде всего касаются степени замкнутос­ти пор. Если при получении теплоизоляционных материалов стре­мятся сформировать в основном замкнутую пористость с целью снижения конвективного переноса теплоты, то формирование по­ристой структуры звукопоглощающих материалов осуществляют, стремясь создать превалирующее количество сообщающихся, пор. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для га­шения звука по мере прохождения звуковых волн через толщу ма­териала. Однако необходимо помнить, что по мере увеличения сооб­щающихся пор прочность материалов снижается.

Звукопоглощающие материалы с ячеистой структурой получают, применяя способ пенообразования (вспениванием) или газообразо - оания (вспучиванием). При этом стремятся создавать полидисперс­ную пористость и тонкие межпоровые перегородки. Достигается это регулированием реологических свойств поризуемых смесей и тонким измельчением твердой фазы, формирующей межпоровые перегород - родки.

Применение способа газового вспучивания наиболее целесооб­разно для получения высокого объема (до 50...60%) сообщающихся пор. В этом случае изменение количества газообразователя и усло­вий вспучивания наряду с изменением реологических характеристик поризуемых смесей позволяет относительно легко изменять в нуж­ном направлении характер пористой структуры.

Таким образом, оптимальной ячеистой структурой звукопогло­щающих материалов и изделий следует считать пористую структу­ру, характеризующуюся высоким объемом газовой фазы (не менее 85%), полидисперсной пористостью с объемом сообщающихся пор не менее 60%, а также тонкими и прочными межпоровыми перего­родками, обеспечивающими необходимую монтажную и эксплуата­ционную прочность материала.

Пористая структура зернистых звукопоглощающих материалов характеризуется весьма высокими акустическими качествами. Это­му способствуют следующие основные факторы: гидравлически пра­вильная форма пор, обеспечивающая более свободное вхождение звуковых волн в толщу материала и наличие большего объема со­общающихся нор, образованных межзерновымн пустотами. Наибо­лее высокими звукопоглощающими свойствами обладают засыпки, позволяющие весьма легко регулировать характеристики пористой
структуры: общий объем и размеры пор, что оказывает решающее влияние на эффективность звукопоглощения. Изменяя грануломет­рию и размеры зерен, применяя материалы с высокой пористостью зерен, можно активно влиять на звукопоглощение засыпок в различ­ных диапазонах частот.

Однако под воздействием условий окружающей среды (изменя­ющихся температуры и влажности и др.) засыпки изменяют свои

Первоначальные свойства. Зерна частично разрушаются, засыноч - ный слон уплотняется, оседает, образуются воздушные пазухи и т. п. Поэтому предпочтение отда­ется формованным звукопогло­щающим изделиям. При изготов­лении изделий с зернистой струк­турой требуется сохранить сооб­щающуюся пористость, не снизить существенно общий объем пор, обеспечить их полидисперность, т. е. сохранить все преимущества зернистой структуры. Достигают этого, применяя контактное омо - ноличивание зерен, поризованное связующее (рис. 5.6) или то и другое вместе. В этих случаях функциональные и общестрои­тельные свойства звукопоглощаю­щих изделий будут зависеть от гранулометрии и размера зерен, их пористости, количества введен­ного в материал связующего и его адгезионно-когезионных ха­рактеристик, величины пористо­сти и характера пор в связующем.

С точки зрения достижения наиболее высоких функциональных свойств оптимальной структурой звукопоглощающих изделий с зер­нистой пористостью следует считать структуру, сложенную высоко­пористыми полидисперсными зернами, омоноличеппыми контактно поризоваппым вяжущим, характеризующуюся сопротивлением продуванию/- значением, близким к (2...4)р0С0, и структурным фак­тором х=р/Ро> близким к 1.

При этом надо иметь в виду, что понижение размера зерен уве­личивает удельную поверхности межзерпопых пор, что весьма по­лезно для гашения звука за счет трепня колеблющегося воздуха. Однако эго же обстоятельство приводит к увеличению содержания связующего пз-.ча роста поверхности зерен, что существенно сни­жает общую пористость материала, т. е. негативно влияет на зву­копоглощение свойства материала.

Для достижения необходимых прочностных показателей изделий без заметного снижения их акустических свойств необходимо при­менять связующие с высокими адгезионно-когезионными характери­стиками и минимизировать за счет этого их содержание в материа­ле. Изменяя реологические характеристики связующего, можно регулировать толщину его пленок, покрывающих зернистые компо­ненты материала и тем самым управлять процессом структурообра- зопання.