木粉與相容劑含量對木塑復(fù)合材料聲學(xué)振動(dòng)性能的影響

劉鎮(zhèn)波，李曉君，于云鵬，萬珂，郝騫，王藝達(dá)，王辰希

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引言

在樂器領(lǐng)域中，木材是制作樂器的首選材料，但我國珍貴木種資源緊缺，且在傳統(tǒng)的木材行業(yè)制作樂器過程中很難做到對木質(zhì)資源的充分利用。在樂器用材的發(fā)展過程中，科研工作者針對木材的聲學(xué)性能，通過物理、化學(xué)等方式對木材功能性進(jìn)行改良[1-2]，有些科研工作者針對樂器的用材要求在復(fù)合材料的制備形式、過程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3]。木塑復(fù)合材料作為一種新型環(huán)保材料，在家具、汽車、包裝中都有廣泛的應(yīng)用[4-5]，目前國內(nèi)外針對木塑復(fù)合材料的制備方法、力學(xué)性能等方面進(jìn)行了諸多的研究[6-7]。研究發(fā)現(xiàn)聚乙烯被廣泛應(yīng)用制備木塑復(fù)合材料[8]，木材-聚乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能較為優(yōu)異，目前國內(nèi)外還沒有針對木塑復(fù)合材料制備樂器用材增強(qiáng)聲學(xué)性能研究的相關(guān)報(bào)道。由于木塑復(fù)合材料內(nèi)含木質(zhì)纖維，在與塑料充分混合后，具有與硬木相當(dāng)?shù)目箟骸⒖箯澢任锢頇C(jī)械性能，并且其耐用性明顯優(yōu)于普通木質(zhì)材料。表面硬度高，密度一般是木材的2倍[9-10]。木塑材料及其產(chǎn)品與木材相比，可抗強(qiáng)酸堿、耐水，并且不繁殖細(xì)菌，不易被蟲蛀。使用壽命長，可達(dá)50 a以上。木塑復(fù)合材料環(huán)保性能好，廢物完全可回收。木塑復(fù)合材料可以根據(jù)不同用途，壓制或擠出成任意形狀和尺寸。楊木是一種速生材，質(zhì)輕，但強(qiáng)度高，彈性較好，具有適應(yīng)性廣、年生長期長和生產(chǎn)速度快等特點(diǎn)，我國南方及北方均有廣泛的種植，楊木資源較為豐富。另外楊木加工起來非常方便，楊木的使用非常廣泛，是全球眾多國家與地區(qū)非常重要的工業(yè)原料。木塑復(fù)合材料中木粉的含量、木粉與塑料相容的程度會(huì)影響木塑復(fù)合材料的物理性能，通過調(diào)整木塑復(fù)合材料中不同木粉含量、不同相容劑含量的實(shí)驗(yàn)方案，在保證材料的聲學(xué)振動(dòng)效果前提下，將木塑復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)與木材結(jié)合，研究木塑復(fù)合材料的聲學(xué)振動(dòng)性能，有利于在樂器用材領(lǐng)域開發(fā)新材料。因此，本文采用楊木-聚乙烯復(fù)合材料作為研究對象，探討不同木粉含量、不同相容劑含量木塑復(fù)合材料的制備對復(fù)合材料聲學(xué)振動(dòng)性能的影響，以探索木塑復(fù)合材料應(yīng)用于樂器共鳴板的可能性。

1 材料與方法

1.1 使用材料

昆侖聚乙烯樹脂PE，LA，50D012(5000S)，中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司；東北林業(yè)大學(xué)自制混合楊木粉(以下簡稱為木粉)40～60目；佳易容聚乙烯(MAPE)，南通日之升高分子新材料科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 木塑復(fù)合材料制備

(1)不同木粉含量木塑復(fù)合材料制備

將木粉放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中103 ℃干燥24 h。把干燥好的木粉與PE、MAPE按表1混合后放入雙螺桿配混擠出機(jī)中混煉適粒，混好后粉碎。使用30 cm×16 cm模具鋪料，放入BL-6170-D-1001型熱壓機(jī)中，熱壓溫度140 ℃，加熱預(yù)壓時(shí)間為5 min，加壓時(shí)間為10 min，加壓壓力為5～7 MPa。將壓制成型的木塑復(fù)合材料鋸裁成40 mm×300 mm的長條形試件。根據(jù)已有對木粉含量的研究[11-12]，確定木粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為60%、65%、70%、80% 4個(gè)水平，進(jìn)行6組平行實(shí)驗(yàn)，共計(jì)24份樣品。

表1 實(shí)驗(yàn)材料數(shù)據(jù)

(2)不同相容劑含量木塑復(fù)合材料制備

確定木粉含量為65%，即木粉含量為65%、PE含量為35%，根據(jù)已有對MAPE用量的研究[13]，選擇MAPE用量為木粉含量的 3%、5%、7%、9% 4個(gè)水平，進(jìn)行6組平行實(shí)驗(yàn)，共計(jì)24份樣品。

1.2.2 木塑復(fù)合材料聲學(xué)振動(dòng)性能測定

木塑復(fù)合材料的聲學(xué)振動(dòng)性能優(yōu)劣可以從其振動(dòng)效率、聲輻射能力、頻率響應(yīng)特性及音色等方面體現(xiàn)，主要指標(biāo)為：聲阻抗(ω)、對數(shù)衰減率(δ)、比動(dòng)彈性模量(E/ρ)、聲輻射品質(zhì)常數(shù)(R)。

根據(jù)梁的振動(dòng)理論，按照彎曲振動(dòng)的試驗(yàn)方法，采用復(fù)合材料試件兩端自由的邊界條件，用雙通道快速傅里葉變換頻譜分析儀(CF-5220Z)測定木塑復(fù)合材料的各項(xiàng)聲學(xué)振動(dòng)參數(shù)[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 木粉含量對聲學(xué)振動(dòng)性能的影響

分析木粉含量對木塑復(fù)合材料各項(xiàng)聲學(xué)振動(dòng)性能參數(shù)的影響，結(jié)果如圖1所示。

聲阻抗(ω)是說明在介質(zhì)中因?yàn)榱W(xué)的擾動(dòng)導(dǎo)致某一位置質(zhì)點(diǎn)變化的阻尼特性[15]。在振動(dòng)時(shí)，ω越小，表明材料的振動(dòng)效果越好。從圖1(a)可以看出，4組試件在聲阻抗性能測試中，前3組參數(shù)相當(dāng)，第4組差異較大，但都在2.3～3.1 Pa·s/m。在木粉含量為80%的試件ω最大，為3.09 Pa·s/m。木粉含量為60%的試件聲ω最小，為2.45 Pa·s/m。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，木粉與PE的比例越小，ω越小，材料的振動(dòng)效果越好。

對數(shù)衰減率(δ)是材料在受到?jīng)_擊或周期性的振動(dòng)后，在相鄰連續(xù)振動(dòng)周期振幅之比的自然對數(shù)。δ越低的木材，振動(dòng)衰減速度慢，有利于樂器聲音的余韻飽滿，較適合制作樂器的共鳴板[2]。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，木粉含量所占比例不同會(huì)對木塑復(fù)合材料的聲學(xué)振動(dòng)性能造成影響。隨著木粉含量的增加，木粉與PE的融合性下降，且聚乙烯材料的聲學(xué)振動(dòng)性能較差，衰減效果差[16]，而木粉的加入使木塑復(fù)合材料的δ下降。所以，木粉含量的增加會(huì)對木塑復(fù)合材料的聲學(xué)振動(dòng)參數(shù)δ產(chǎn)生影響。試樣的木粉含量與δ之間的關(guān)系如圖1(b)所示。圖1(b)中4組試件的δ呈現(xiàn)較明顯的差異，其中第2組的δ最小，其他3組的δ相差不大。δ可以反映材料的振動(dòng)衰減頻率，當(dāng)材料的振動(dòng)衰減頻率低時(shí)，有利于保持一定的余音，使樂器的聲音飽滿。

圖1 木粉含量對木塑復(fù)合材聲學(xué)振動(dòng)性能的影響

比動(dòng)彈性模量是表示木材順紋方向細(xì)胞壁的平均動(dòng)彈性模量(E/ρ)[15]。在木塑復(fù)合材料中，木粉含量會(huì)對材料的力學(xué)性能有很大的影響[10]。從圖1(c)可以看到，第4組試件的E/ρ最大，這與其密度有一定關(guān)系，密度越小，E/ρ越大，材料的振動(dòng)效率越高[15]。而前3組相差不大，這可能是由于接近的木粉含量導(dǎo)致試材的密度差異小。當(dāng)增加木粉含量時(shí)，木粉之間的間隙減小，而木粉中樹脂等物質(zhì)存在相當(dāng)于增強(qiáng)了木粉之間的黏合力。木粉含量增多，木粉間相互交聯(lián)、纏繞，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能提高[10]。

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著木粉含量的增加，木塑復(fù)合材料的聲阻抗性能下降，這可能是因?yàn)樵谀舅軓?fù)合材料中，木粉與塑料的融合程度隨木粉含量增加而變差，導(dǎo)致聲阻抗數(shù)值增加，振動(dòng)效果下降；木塑復(fù)合材料的對數(shù)衰減率增加，但在木粉含量為65%時(shí)達(dá)到最低值且與其他3組有明顯差別，這可能是由于木粉與塑料比例在65∶35時(shí)，木粉與塑料的融合效果更好，木塑復(fù)合材料更加均勻，在測試時(shí)表現(xiàn)出較慢的衰減情況，木塑復(fù)合材料的比動(dòng)彈性模量增加，這是由于木材在木塑復(fù)合材料中承擔(dān)更多的受力，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能隨木粉含量的增加會(huì)有一定程度的提高；木塑復(fù)合材料的聲輻射品質(zhì)常數(shù)近似，但在木粉含量為65%時(shí)達(dá)到最高，這可能是由于木粉含量為65%時(shí)，其密度較小，且相較于60%的木粉含量相容劑起到了更好的作用，木粉與塑料之間的融合性更強(qiáng)。所以當(dāng)木粉含量占比在65%時(shí)，振動(dòng)衰減率最低、聲輻射品質(zhì)常數(shù)最大，這種情況下振動(dòng)能量損失較小，振動(dòng)效率高，綜合來看各項(xiàng)聲學(xué)振動(dòng)指標(biāo)更好。

2.2 佳易容聚乙烯(MAPE)含量對聲學(xué)振動(dòng)性能的影響

相容劑是一種高分子偶聯(lián)劑，是高分子反應(yīng)間的助劑。主要幫助2種或2種以上的高分子共混，通常是將極性和非極性聚合物混合。相容劑的存在使聚合物之間黏結(jié)力變強(qiáng)，有利于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[17]。通過木粉含量變化對木塑復(fù)合材料聲學(xué)性能的影響分析，在65%木粉含量的基礎(chǔ)上選擇改變相容劑含量，進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，分析木材聲學(xué)性能變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同相容劑含量對木塑復(fù)合材聲學(xué)振動(dòng)性能的影響

從圖2可以看出，不同相容劑含量對木塑復(fù)合材料聲阻抗影響不大，如圖2(a)所示，4種不同相容劑含量的木塑復(fù)合材料的聲阻抗值接近，聲學(xué)振動(dòng)效果相同；而更改相容劑含量對木塑復(fù)合材料的對數(shù)衰減率影響較大，如圖2(b)所示，相容劑由于本身存在可以與2種聚合物進(jìn)行物理或化學(xué)結(jié)合的基團(tuán)，使復(fù)合材料更好地融合，而材料的聲衰減系數(shù)則考慮到材料表面的振動(dòng)效果，材料表面越平整，表面融合程度越高，材料的聲學(xué)振動(dòng)效果會(huì)越好。相容劑含量的變化對木塑復(fù)合材料的比動(dòng)彈性模量和聲輻射品質(zhì)常數(shù)影響程度較小，如圖2(c)和(d)所示，這可能是因?yàn)镸APE會(huì)降低塑料合金的熱變形溫度，易使共混組分產(chǎn)生一些不需要的交聯(lián)和降解，使鋪模后的部分材料反應(yīng)不完全導(dǎo)致了細(xì)微的差異[18]，且相容劑含量只占木粉含量的3%～9%，對材料密度影響較小，聲輻射能變化少，獲得的聲音音量變化差距小，振動(dòng)效果相似。

綜合圖2來看，不同相容劑含量對木塑復(fù)合材料的聲阻抗值影響不大。當(dāng)相容劑含量為7%時(shí)，木塑復(fù)合材料的對數(shù)衰減率最小，考慮此時(shí)木塑復(fù)合材料中木粉與塑料融合性最好，材質(zhì)均勻，振動(dòng)衰減慢，聲學(xué)效果好；在添加相容劑3%～9%過程中，木塑復(fù)合材料的比動(dòng)彈性模量和聲輻射品質(zhì)常數(shù)受相容劑含量影響差別不大，在相容劑含量為7%和9%時(shí)木塑復(fù)合材料的比動(dòng)彈性模量較相容劑含量為3%和5%時(shí)數(shù)值高，可能是隨著相容劑含量的增加，木粉與塑料界面相容性增強(qiáng)，獲得更好的比動(dòng)彈性模量。而由于相容劑含量從3%增加至9%的4組實(shí)驗(yàn)中，試樣密度值接近，聲輻射品質(zhì)常數(shù)接近。所以在相容劑含量為7%，木塑復(fù)合材料有更低的對數(shù)衰減率，較高的比動(dòng)彈性模量，可以獲得更好的聲學(xué)效果。

2.3 木塑復(fù)合材料與已有研究的音板材比較

2.3.1 與美國西加云杉比較

為探究木塑復(fù)合材料能否與傳統(tǒng)樂器用音板相比，選擇聲學(xué)性能較優(yōu)的木粉含量65%，MAPE含量7%試件與劉鎮(zhèn)波[19]測定的美國西加云杉的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。當(dāng)木粉含量為65%、MAPE含量為7%和9%時(shí)，木塑復(fù)合材料的聲阻抗2.21 Pa·s/m和2.22 Pa·s/m與常用音板材料美國西加云杉的聲阻抗(2.20 Pa·s/m)相當(dāng)，振動(dòng)效率高。其中MAPE含量7%的木塑復(fù)合材料更接近美國西加云杉，音色效果更好。但木塑復(fù)合材料的比動(dòng)彈性模量(3.56 GPa·cm3/g)低于美國西加云杉比動(dòng)彈性模量(25.98 GPa·cm3/g)。通過實(shí)驗(yàn)觀察，木塑復(fù)合材料密度遠(yuǎn)高于樂器常用木材，這導(dǎo)致木塑復(fù)合材料的比動(dòng)彈性模量低。比動(dòng)彈性模量是決定樂器材振動(dòng)與機(jī)械性能的重要參數(shù)[20]，后續(xù)研究應(yīng)更加注重如何提高木塑復(fù)合材的比動(dòng)彈性模量，降低木塑復(fù)合材料的密度。

2.3.2 與木質(zhì)碳纖維復(fù)合材料、木質(zhì)-玻璃纖維復(fù)合材料比較

與張?jiān)鞯萚3]制備的木質(zhì)碳纖維復(fù)合材料相比，木塑復(fù)合材料的對數(shù)衰減率均小于木質(zhì)碳纖維復(fù)合材料。其中，MAPE含量占木粉含量7%時(shí)的對數(shù)衰減率最小為0.014，小于木質(zhì)碳纖維復(fù)合材料的0.021。對數(shù)衰減率越低，振動(dòng)衰減速度越慢，樂器聲音的余韻越飽滿。

與林斌等[21]制備的木質(zhì)-玻璃纖維復(fù)合材料相比，木塑復(fù)合材料的R均低于木質(zhì)-玻璃纖維復(fù)合材料。木塑復(fù)合材料的R為1.61(m3/(Pa·s3))，低于木質(zhì)-玻璃纖維復(fù)合材料R(6.48 m3/(Pa·s3))。R與材料的密度有密切關(guān)聯(lián)，應(yīng)選擇密度更小，動(dòng)彈性模量更大的材料，才能獲得更高的聲輻射品質(zhì)常數(shù)，獲得聲音明亮的音板。

3 結(jié)論

通過本研究可得出以下結(jié)論。

(1)木粉含量對木塑復(fù)合材料的聲學(xué)性能有一定的影響，綜合多個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較分析，當(dāng)木粉含量為60%、70%和80%時(shí)，木材的聲學(xué)振動(dòng)效果整體來看較弱，在木粉含量為65%時(shí)，木塑復(fù)合材料的聲學(xué)參數(shù)較優(yōu)。

(2)相容劑的含量對木塑復(fù)合材料的影響主要為表面融合效果，體現(xiàn)在聲學(xué)振動(dòng)性能即對數(shù)衰減率變化較大，除相容劑含量7%外，其他比例相容劑對數(shù)衰減率較高。

(3)木塑復(fù)合材料制備實(shí)驗(yàn)中聲學(xué)振動(dòng)性能較良好的實(shí)驗(yàn)組與作為對照的云杉屬木材相比，聲阻抗、對數(shù)衰減率的性能足以媲美樂器材；但在比動(dòng)彈性模量、聲輻射品質(zhì)常數(shù)上還有一定的差距，可以考慮在改善木塑復(fù)合材料密度的角度進(jìn)行樂器用木塑復(fù)合板材的相關(guān)研究。