农业废弃物基多孔材料的制备与吸声特性研究

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废弃农用薄膜和作物秸秆是种植业产生的主要废弃物。由于农用薄膜大多以聚乙烯或聚氯乙烯等高分子为原料,其残留在土壤中的时间可长达数百年,严重危害生态环境,是造成农田废塑料污染的主要“元凶”。作物秸秆是种植业的主要副产品之一,平均重量基本与农产品相当。数量庞大的废弃农膜和秸秆如果得不到合理处置,会侵占土地、污染大气,引发一系列环境问题。本文研究了以代表性农业高分子废弃物(废弃地膜和小麦秸秆粉)为主要原料,成功制备了相对密度为0.4的高效多孔吸声材料,优化了工艺参数,确立了工艺流程,阐明了相关机理。得到得主要结论如下:  (1)通过对发泡助剂的筛选和特性研究,发现偶氮二甲酰胺(AC)共混铁锈、铅锌冶炼厂飞灰和电石厂炉渣能够较大幅度地降低AC的热解起始温度,加入与AC等质量的上述废弃物粉末可以使AC热解起始温度从195℃下降至150~160℃左右,而粉煤灰和建筑垃圾对AC热解的促进效果甚微,不适合作为AC的发泡助剂。  (2)通过对原材料的改性特性研究,发现200℃加热秸秆2小时可以大幅度提高秸秆粉对水的接触角至105.7°±2.33°,增加了秸秆粉的疏水性,但随着温度继续上升至215℃和230℃,接触角逐渐降低至96.75°±4.98°和91.24°±2.53°,因此采用加热秸秆粉的方法可以提高其与聚乙烯等非极性材料的相容性。通过对地膜、秸秆发泡材料的压缩特性和弯曲特性研究,发现秸秆粉在空气气氛下加热至200℃并保持2小时改性后材料力学性能有所提高:压缩强度为0.62MPa,比未改性材料的0.52MPa提高了19%;弯曲强度为274N,比改性前的210N提高了30%。改性后复合物在穿孔率为24%时的压缩强度为0.38MPa,下降了39%。采用IMAGE J软件分析了多孔材料截面图像,通过软件统计分析和公式换算得到泡孔的平均直径为0.15mm。该复合材料由聚乙烯和多种天然高分子组成,其高位热值为34624KJ/g,如果能够大面积使用,等同储备了大量的能源和化工原料。  (3)通过对产品的穿孔、半穿孔和安装背后空腔等声学结构与多孔材料复合后的吸声特性的研究,发现具有穿孔、半穿孔和背后空腔的地膜秸秆多孔材料具有良好的声学性能,特定吸收峰吸声系数接近1,峰宽度约1000Hz左右;500~6400Hz范围内平均吸声系数可达到0.61。并且,最大吸收峰的频率可根据实际需要在500~2600Hz之间进行调节。同时,分析了各参数与材料吸声特性的关系和在噪声控制领域的实际应用价值。通过对具有双共振系统材料的吸声特性研究发现:双共振系统可以分别产生两个吸收峰,即在同一区域内吸收了两个不同频率的噪声,为同一区域内不同参数吸声单元协同吸收多波段噪声提供了理论依据。  (4)比较分析了本研究制备的新型吸声材料与现售吸声材料的价格和回收再利用工艺。本研究制备的新型吸声材料以废弃物为原料,加工工艺简单易行,总体造价低于市场现售其他商品。并且,当该材料损坏或者达到使用年限时,可以用相同工艺再生并保持原有声学性能,从而达到循环再生的目的。
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