廢棄花生殼/EVA復合材料的制備及其吸聲性能

呂麗華 李長偉 吳晨星

摘 要：為廢棄花生殼尋找合理的應用途徑，以廢棄花生殼為增強材料，EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）粉末為基體材料，采用熱壓法，制備廢棄花生殼/EVA吸聲復合材料。在熱壓壓力5 MPa，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間8 min條件下，探究廢棄花生殼質量分數、材料厚度、材料密度及后空氣層厚度對材料吸聲性能的影響。結果表明，廢棄花生殼質量分數為50%，材料厚度為30 mm，密度為0.382 g/cm3，后空氣層厚度為30 mm時，廢棄花生殼/EVA復合材料在低中高頻率范圍內吸聲性能優異，最大吸聲系數可達到0.92，屬于高效吸聲材料。

關鍵詞：廢棄花生殼；吸聲性能；復合材料；吸聲系數

中圖分類號：TS102.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2018）04-0012-05

Abstract：In order to find a reasonable way to use the discarded peanut shells， the discarded peanut shell/EVA （ethylene vinyl acetate） sound absorbent composites were prepared with hot pressing method by using the discarded peanut shells as reinforced material and EVA powder as matrix material in this paper. Under the conditions of hot pressing pressure 5 MPa， hot pressing temperature 120 ℃ and hot pressing time 8 min， the effects of mass fraction of discarded peanut shells， thickness of composites， density of composites and thickness of the air layer on the sound absorption performance of the discarded peanut shell/EVA sound absorbent composites were investigated. The results show that the discarded peanut shell/EVA sound absorbent composites have excellent sound absorption properties in the low， medium and high frequency range， and the maximum absorption coefficient can reach 0.92 under the following conditions： mass fraction of discarded peanut shells 50%， thickness of composites 30 mm，density of composites 0.382 g/cm3 and thickness of the air layer 30 mm. Therefore，the discarded peanut shell/EVA sound absorbent composites belong to the high sound absorption materials.

Key words：discarded peanut shell； sound absorption properties； composite material； absorption coefficient

中國是花生生產大國，種植面積居世界第二，年產量居世界第一[1]。全國每年產生的花生殼廢棄物高達500萬t，除了一部分的花生殼用作飼料和燃料使用之外，絕大部分花生殼被燒掉或扔掉，很大程度上造成資源的浪費。花生殼本身是一種天然高分子材料，具有密度低、價格低廉、生物降解性好的特點[2]。因此，為了提高花生殼的利用價值，尋找其合理的應用途徑，具有重要意義。噪音污染隨著工業化的進程和現代化步伐的加快而變得愈加嚴重。另外，以聽聞作為重要功能的環境如錄音室、演播室、電影院等聲學建筑同樣和室內聲學材料的設計安裝有關[3]。因此，開發出改善聽聞條件，具有降噪功能的吸聲材料來有效地控制噪音污染是亟待去研究解決的課題。

用吸聲系數α表征材料的吸聲性能。當材料吸聲系數設定在0～1范圍，吸聲系數越大，則吸聲性能越好。一般認為是平均吸聲系數大于0.2的是吸聲材料。如果平均吸聲系數大于0.56時，則稱為高效吸聲材料[4]。利用廢棄花生殼制備吸聲系數高且吸聲頻帶寬的吸聲材料，一方面，合理利用資源，變廢為寶，解決了花生殼廢棄物對環境污染，具有很好的社會效益；另一方面，該吸聲材料可以滿足建筑裝飾等領域的需要，將收到良好的經濟效益。

Zaaba等[5]利用聚乙烯醇對花生殼粉/再生聚丙烯復合材料進行改性，研究了其吸水性和拉伸性能。Raj等[6]將聚乙烯和有機填料（核桃殼、花生殼粉）混合，研究了復合材料的成型條件。Mehmet等[7]制備不同比例的花生殼粉末和木纖維的纖維板，并研究其彈性模量和斷裂強度。Nishikawa[8]研究了聚乳酸/花生殼粉復合材料的吸水特性和彎曲性。國內于1981年8月，研究并制備機械強度較好的聚烯烴/花生殼粉復合材料，1982年11月開始小批量生產板材和異形材等產品，并通過安徽省級技術鑒定[9]。張冰等[10]采用雙螺桿擠出機將花生殼和鋸末等原料進行塑木復合材料的混合與成型。而黃兆閣等[11]研究花生殼粉填充改性聚丙烯（PP）的性能，同樣利用雙螺桿擠出工藝。趙娟等[12]比較了木粉、竹粉、花生殼粉、稻殼等木塑復合材料的力學性能，發現木粉最好，竹粉次之，花生殼粉次于竹粉，而稻殼制備的木塑復合材料力學性能是其中最差的。劉文鵬等[13]研究了偶聯劑、相容劑、木粉用量和填料種類對以木粉、竹粉、花生殼粉、稻殼粉制備的復合材料力學性能的影響。何帆[14]研究了鋸末、刨花、花生殼等木粉填充聚丙烯板材在汽車上的運用。如姚雪霞等[15]為了改善花生殼與高密度聚乙烯（PE-HD）基體的界面相容性，分別采用5% NaOH、5% HAc、高溫和微波水浴4種方法對花生殼粉進行預處理，后用硅烷偶聯劑KH550處理花生殼粉，再用模壓工藝方法制備成PE-HD/花生殼復合材料，結果發現此處理方法提高花生殼粉和PE-HD的界面相容性。崔靖等[16]利用花生殼粉末與聚丙烯（PP）均勻混合后制備木塑復合材料，重點探討了其成型工藝條件及力學性能。由以上可知，國內外研究的重點都是利用花生殼粉末制作木塑復合材料，重點研究其力學性能及工藝條件。鄒亞玲等[17]采用阻抗管法測試了納米纖維氈復合材料的吸聲性能。沈岳等[18]分析了厚度、密度和纖維直徑對活性碳纖維氈吸聲性能的影響，采用阻抗管在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內對吸聲材料進行了測試。還未見，有文獻報道廢棄花生殼復合材料的吸聲性能。而廢棄花生殼中含有較多的粗纖維，類似于紡織材料，具有優異的吸聲性能。本文以廢棄花生殼和EVA粉末為原料，用熱壓法，制備廢棄花生殼/EVA復合材料，并詳細探究廢棄花生殼質量分數、材料厚度、材料密度及后空氣層厚度對材料吸聲性能的影響。

1 試 驗

1.1 原料與儀器

實驗原料：廢棄花生殼（大連金州開發區居民家中）；EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate），白色粉末狀，15目，醋酸乙酯質量分數為20%～35%，分子式：（CH2CH-OH）n，軟化點60 ℃，熔點77 ℃，蘇州億富塑化有限公司）。

實驗儀器：高效粉碎機（JFSD-100-Ⅱ，上海嘉定糧油儀器檢測儀器廠）；MN壓力成型機（QLB-50D/Q，江蘇無錫中凱橡塑機械有限公司）；吸聲測試系統（SW477/SW422，北京聲望公司）。

1.2 制備與測試

1.2.1 吸聲復合材料的制備

廢棄花生殼/EVA復合材料制備流程圖如圖1所示。

將廢棄花生殼置于粉碎機中，處理成粉末狀材料（約為80～100目）。其中復合材料的熱壓工藝參數為：熱壓壓力5 MPa，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間8 min。廢棄花生殼/EVA復合材料樣品實拍圖如圖2所示。廢棄花生殼/EVA復合材料顯微鏡圖如圖3所示。圖2為花生殼質量分數為50%，材料厚度為30 mm、材料密度為0.382 g/cm3，后空氣層厚度為30 mm，熱壓壓力5 MPa，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間8 min條件下，所制得的廢棄花生殼/EVA復合材料。該復合材料成型良好，表面可看到廢棄花生殼碎屑與EVA結合情況較好。通過熱壓工藝制備復合材料將廢棄花生殼粘結起來，使該吸聲材料保持一定的機械性能，并通過控制熱壓工藝參數使其獲得較好的吸聲性能。在較優的熱壓工藝參數下研究廢棄花生殼/EVA復合材料自身因素對吸聲性能的影響。

1.2.2 吸聲復合材料的測試

本實驗采用傳遞函數法測試材料的吸聲性能，測試過程符合GB/T 18696.2—2002和GB/T 18696.1—2004標準，測試的頻率范圍在80～6 300 Hz范圍。測試系統如圖4所示。測試時將樣品置于貼近剛性后蓋板的一端并固定。當測試材料后空氣層厚度時，可調節深度的剛性后蓋板距樣品的距離即為后空氣層厚度。

2 結果與討論

2.1 廢棄花生殼質量分數對吸聲系數的影響

熱壓壓力5 MPa，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間8 min，材料厚度10 mm，材料密度0.5 g/cm3條件下，廢棄花生殼質量分數分別為30%、40%、50%時，材料的吸聲系數曲線如圖5所示。

圖5可知，廢棄花生殼/EVA復合材料的吸聲系數隨廢棄花生殼質量分數的增大而增大。原因可能為：廢棄花生殼中含有較多的粗纖維，類似于紡織材料，紡織材料具有一定的阻尼特性，阻尼性能來源于分子鏈的運動、內摩擦力以及大分子鏈之間物理鍵間的不斷破壞與重建。當在聲波作用下，分子鏈鏈段產生運動，重新構象弛豫一定的時間，損耗了一部分聲能[19]。此外，當聲波入射到EVA材料的內部，其中一部分能量必將用于改變分子鏈和側基的振動而做功，從而達到吸聲的目的。當廢棄花生殼質量分數為50%時，材料疏松多空，具有較高的吸聲系數。

2.2 材料厚度對吸聲系數的影響

在廢棄花生殼質量分數為50%，熱壓壓力5 MPa，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間8 min，材料密度0.5 g/cm3條件下，廢棄花生殼/EVA復合材料厚度分別為10、20、30 mm，材料的吸聲系數曲線如圖6所示。

從圖6可知，隨著材料厚度的增加，吸聲頻率特性曲線整體的吸聲系數都會提高。原因可能為：當聲波入射到材料表面，材料厚度增加，整個聲能消耗的動程就會增加，耗能累積更多，所以材料能達到更好的吸聲效果。材料厚度越小，聲能在通道中消耗的越短，聲波消耗率低，材料的吸聲系數隨之降低。當增加材料厚度時，聲波在長通道中被阻擋的次數增多，能量損失隨之增多，所以吸聲系數一般總是增大。

2.3 材料密度對吸聲系數的影響

在廢棄花生殼質量分數為50%、復合材料厚度為30 mm，熱壓壓力5 MPa，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間8 min 條件下，廢棄花生殼/EVA復合材料的密度分別為0.382、0.510、0.637 g/cm3，材料的吸聲系數曲線如圖7所示。

廢棄花生殼/EVA復合材料密度與廢棄花生殼和EVA的質量分數密切相關。材料密度的不同會導致復合材料的孔隙率、空氣流阻率變化。對于同一種復合材料，密度越大，孔隙率越小，空氣流阻率越大。孔隙率過小，即材料的密度過大，聲波不易進入材料內部，導致聲波與材料之間的摩擦減小，吸聲性能減弱；而孔隙率過大，材料疏松，材料孔隙間的空氣沒有與材料得到充分摩擦，聲能不能大量地轉化成熱能，損耗的聲能少，吸聲性能也不好。空氣流經材料所遇到的阻力被稱之為流阻，而孔隙率反映流阻的大小。適當控制流阻，可以使材料獲得最佳的吸聲效果[20]。一般可用密度去估算材料的孔隙率和流阻率。由圖7可知，隨著復合材料密度的減小，吸聲系數呈現增大趨勢。在材料厚度一定時，如果密度過大，可能導致材料的孔隙率與流阻率過大，入射的聲能減少，則材料的吸聲性能也會減弱。當材料的密度在0.382 g/cm3時，復合材料的吸聲系數較好。

2.4 后空氣層厚度對吸聲系數的影響

在廢棄花生殼質量分數為50%、復合材料厚度為30 mm，材料密度為0.382 g/cm3，熱壓壓力5 MPa，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間8 min 條件下，將廢棄花生殼/EVA復合材料試樣背面離剛性后蓋板的距離（即后空氣層厚度）分別設為0、10、20、30 mm，材料的吸聲系數曲線如圖8所示。

從圖8可知，中低頻段的吸聲系數隨著試樣后空氣層厚度的增加有較明顯的提高，且吸聲曲線峰值由中頻段向低頻段移動，高頻段的吸聲系數的數值都較高。由于低頻吸聲峰是因為厚度方向共振形成的，隨著后空氣層的增加，共振頻率向低頻移動，故而在一定范圍內，隨著厚度的增加，同一低頻段的吸聲系數的數值增加。

由單因素實驗可知，在花生殼質量分數為50%，材料厚度為30 mm、材料密度為0.382 g/cm3，后空氣層厚度為30 mm，熱壓壓力5 MPa，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間8 min條件下，廢棄花生殼/EVA復合材料吸聲系數曲線如圖9所示。

在80～500 Hz頻率范圍內，試樣的吸聲系數呈增加趨勢，在500 Hz聲波頻率下的吸聲系數達到最大值0.92；在500 Hz后呈緩慢下降趨勢，但其吸聲系數也在0.45以上；在1 500～2 000 Hz聲波頻率范圍內吸聲系數再次增加，最大值達到0.84，之后曲線較為平緩，吸聲系數基本保持在0.65。即平均吸聲系數大于0.56，廢棄花生殼/EVA復合材料為高效吸聲材料，此復合材料不僅吸聲系數高且吸聲頻帶寬（低中高頻率范圍內，吸聲性能優異）。

3 結 論

本文以廢棄花生殼為增強材料，EVA粉末為基體材料，采用熱壓法，制備廢棄花生殼/EVA復合材料，并研究其吸聲性能，得出以下結論：

a） 在一定范圍內，廢棄花生殼/EVA復合材料的吸聲系數，隨廢棄花生殼質量分數的增大而增大。

b） 在一定范圍內，廢棄花生殼/EVA復合材料的吸聲系數，隨材料的厚度的增大而增大。

c） 在一定范圍內，廢棄花生殼/EVA復合材料的吸聲系數，隨著復合材料密度的減小，吸聲系數呈現增大趨勢。

d） 在一定范圍內，廢棄花生殼/EVA復合材料的吸聲系數，隨著試樣后空氣層厚度的增加而增大，且峰值向低頻移動。

當熱壓壓力5 MPa，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間8 min，廢棄花生殼質量分數為50 %，材料厚度為30 mm，密度為0.382 g/cm3，后空氣層厚度為30 mm時，廢棄花生殼/EVA復合材料在低中高頻率范圍內吸聲性能優異，最大吸聲系數可達0.92，屬于高效吸聲材料。

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