棕櫚纖維氈/聚(3-羥基丁酸酯-co-3-羥基戊酸酯)熱壓復合材料的吸聲性能

張 毅，邵利鋒，楊 彬，高金霞，郁崇文

(1.浙江工業職業技術學院, 浙江 紹興 312000；2.紹興透真紡織科技有限公司, 浙江 紹興 312000；3.東華大學 紡織學院, 上海 201620)

近年來，隨著消費者對汽車內飾品質要求的逐步提高，具有吸聲隔音但不環保的樹脂塑料或橡膠類內飾材料逐步淡出市場[1]，取而代之的是輕質、吸聲、環保的天然纖維增強復合材料[2]。黃麻纖維作為增強體制備的復合材料完全符合車用材料對吸聲、環保和輕量化的需求[3]。然而我國黃麻主要依賴于從孟加拉國、印度等國進口，受新冠疫情影響，黃麻進口總量明顯降低，加上國內黃麻種植產量少，造成黃麻相關制品生產量縮減。汽車內飾廠商正在研究、尋找可以混用或部分替代黃麻制備吸聲材料的新型纖維。棕櫚在我國種植廣泛，價格約為黃麻的1/2，其纖維具有耐腐蝕、隔音好、自然可降解等優良特性[4]。棕櫚纖維長度約為61 mm，線密度約為14.5 dtex，纖維斷裂強度約為7.5 cN/dtex，與黃麻相當；其表面粗糙，內部近似蜂窩狀和多孔結構，這使得棕櫚在保溫、吸聲及降噪等領域具有應用前景[5]。

近年來，關于多孔材料吸聲性能的研究主要有：萬玉峰等[6]研究了轎車針刺非織造布外輪罩材料的設計方法與吸聲性能，提出不同粗細纖維搭配、適當增加面密度、形成梯度多孔結構，可改善材料的綜合吸聲性能；董凱輝等[7]研究了硅溶膠/植物纖維吸聲材料的制備及性能，提出面密度不宜過高，否則會造成吸聲材料內部孔隙率過低；王建輝等[8]通過添加具有多孔結構的粉煤灰陶粒來制備降噪聲屏障材料，得出最佳陶粒粒徑為1.0～3.0 mm，增加材料厚度可顯著改善其在1 000 Hz以下的吸聲性能；沈岳等[9]分析了不同梯度方向、面密度和結構的碳纖維氈對吸聲性能的影響，提出總面密度相同時，低頻段單一結構纖維氈的吸聲性能比正梯度結構好，比倒梯度結構差，隨著纖維氈總面密度的增加，其低頻吸聲系數逐步增加；吳量等[10]基于Biot理論和多層介質聲波傳播理論，提出在材料整體厚度降低 18 mm 后其吸聲性能并未降低；李濤等[11]研究了纖維參數對聚酯纖維板吸聲性能的影響，提出線密度小的纖維其吸聲性能相對更好，纖維長度對吸聲性能影響不顯著。

多孔材料的吸聲機制主要是當外界聲波透入材料內部向前傳播時，在材料內部彼此相通的無數細微孔隙內發生空氣運動，并與孔壁的固體筋絡發生摩擦，產生黏滯性和熱傳導效應，將聲能轉變為熱能，進而耗散(或吸收)掉[12]。當前應用廣泛的是Johnson-Allard 模型[13]。該模型優化了瑞利理論[14]和Biot 理論[15]的不足，在Delany-Bazley 模型[16]基礎上，可采用孔隙率、熱特征長度、彎曲度、黏性特征長度和流阻來表征多孔材料吸聲特性。本文以棕櫚纖維氈為增強體，聚(3-羥基丁酸酯-co-3-羥基戊酸酯)(PHBV)為基體，通過熱壓工藝制成復合材料。在分析Johnson-Allard 模型基礎上，研究了棕櫚纖維氈與PHBV的質量比、棕櫚纖維氈面密度、棕櫚纖維線密度、棕櫚纖維氈梯度結構、多孔粉煤灰陶粒添加量等對棕櫚纖維氈/PHBV熱壓復合材料低頻吸聲系數的影響，以期達到混用或部分替代黃麻制備汽車內飾用吸聲材料的目的，并對優化工藝下制成的復合材料的斷面形貌、化學結構、熱穩定性能與拉伸性能進行研究。

1 Johnson-Allard 模型分析

Johnson-Allard模型是目前最常用的纖維多孔材料吸聲模型，具體公式為：

(1)

Z=Z0coth(γl)

(2)

(3)

(4)

K(ω)=

(5)

(6)

式中：α為材料的吸聲系數；Z為材料的表面特征阻抗，Ω；ρ0為空氣密度，kg/m3；C0為聲音在空氣中的傳播速度，m/s；Z0為材料的特征阻抗，Ω；γ為材料的傳播常數；l為材料的厚度，m；ρ(ω)為空氣動態密度，kg/m3；K(ω)為空氣動態體積模量，m3；α∞為材料彎曲度；σ為纖維吸聲材料流阻，Pa·s/m3；φ為孔隙率，%；ω為聲波角頻率，rad/s；j為單位矢量；Λ為黏性特征長度，m；Λ′為熱特征長度，m；η為空氣黏性，Pa·s；Pγ為空氣普朗特數；C為空隙截面形狀因子；i,j表示動態方程。

將式(6)代入式(4)、(5)可得出：

(7)

K(ω)=

(8)

由式(3)、(7)、(8)可知，在一定范圍內，材料的流阻σ或孔隙率φ越大，其吸聲系數越大。依據ISO 9053-1—2018《聲學 吸聲材料流阻的測定 第1部分：直流法》，運用直流法測量原理，得出厚度為l的纖維多孔材料流阻為

(9)

式中：ΔP為開口處壓差，Pa；A為測試材料的截面積，m2；m為進入材料內部的空氣質量，g。由式(9)可知，纖維多孔材料的流阻在一定程度上與材料的厚度l成反比，同時式(6)和(7)中的黏性特征長度Λ可通過材料單位體積總有效長度來進行換算[17]，即：

(10)

式中：L為材料單位體積的總有效長度，m；d為纖維直徑，m；ρ1、ρm分別為復合材料和纖維的體積密度，kg/m3。故復合材料的吸聲系數受棕櫚纖維直徑(或線密度)的影響。

依據式(2)，本文假設只有1塊厚度為l的棕櫚纖維氈，則其表面特征阻抗可表示為

Z1=Z0coth(γ1l)

(11)

式中：Z1為材料表面特征阻抗，Ω；γ1為第1塊纖維氈的傳播常數。

若有2塊厚度均為l的棕櫚纖維氈疊加在一起，則其表面特征阻抗[17]可表示為

(12)

式中：Z2′為2塊棕櫚纖維氈疊加后的表面特征阻抗，Ω；Z2為第2塊纖維氈的表面特征阻抗，Ω；γ2為第2塊纖維氈的傳播常數。式(12)表明，當 2塊厚度相同而面密度不同的纖維氈疊加在一起，疊加后材料的表面特征阻抗與第1塊、第2塊纖維氈的表面特征阻抗有關，故需要測定不同梯度結構的2塊纖維氈疊加成厚度相同的復合材料的吸聲系數，以論證不同的材料表面特征阻抗對復合材料吸聲系數的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

棕櫚纖維，纖維長度約為60 mm，線密度為14.5～15.5 dtex，斷裂強度為6.5～7.8 cN/dtex，湖州富升炭業有限公司；PHBV粉末(熔點為80～100 ℃)，寧波天安生物材料有限公司；多孔粉煤灰陶粒(粒徑為1～3 mm，密度為1.2 g/cm3，耐火度為1 600 ℃，24 h吸水率為21%)，安徽暢材節能科技有限公司。

2.2 試樣的制備

首先，將不同線密度棕櫚纖維經WL-GK-1-60型開松機→WL-J-500型給棉機→WL-GS-A-600型梳理機→WL-ZGS.Z-Y-800型預針刺機→WL-800型成卷機→WL-ZGS.Z-Z-800型針刺機系列針刺工藝制備棕櫚纖維氈。通過設計不同的針刺深度(12～15 mm)、針刺密度(250～290 刺/cm2)、針刺道數(3～5道)等參數，制備得到面密度分別為102.5、122.9、143.3、206.2 g/m2的棕櫚纖維氈若干塊。

然后，以棕櫚纖維氈為基材，按照不同質量比稱取PHBV、多孔粉煤灰陶粒粉末并混合均勻，采用KMPF-D電氣式撒粉機將粉末均勻撒在棕櫚纖維氈上；最后，利用XLB-350×350×2型平板硫化機進行熱壓制備得到吸聲復合材料。其中，熱壓溫度為170～180 ℃，熱壓壓力為17～19 MPa，熱壓時間為7 min，冷卻壓力為15～19 MPa，冷卻時間為7～9 min。

同時，選擇面密度分別為143.3和102.5、122.9和122.9、102.5和143.3 g/m2的2層棕櫚纖維氈，分別在每層纖維氈上均勻撒上PHBV粉末，通過上述熱壓工藝制備3種梯度結構的熱壓復合材料。

2.3 測試與表征

2.3.1 吸聲系數測試

依據GB/T 18696.2—2002《聲學阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量 第2部分：傳遞函數法》，采用SW422/477型鋁合金阻抗測量管，將待測吸聲復合材料(樣品為圓形，直徑為100 mm)放置于駐波管一端，在其與管壁無縫隙的條件下測試材料的吸聲系數。汽車內部及外在交通噪聲主要處于200～1 600 Hz[6]，因此，選擇具有代表性的10個頻率(125、250、375、500、600、800、1 000、1 200、1 500、1 600 Hz)進行測試分析，測試結果保留2位小數。

2.3.2 拉伸力學性能測試

依據GB/T 1447—2006《纖維增強塑料拉伸和彎曲性能試驗方法》，采用CMT5304-30kN型電子萬能試驗機測試吸聲復合材料的應力-應變曲線，得到吸聲材料的拉伸強度。設置測試參數：拉伸速度為50 mm/min，樣品尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。

2.3.3 熱穩定性測試

采用TG/DTA7200型熱量-卡重計雙重分析儀測試得到吸聲復合材料的熱重(TG)和微商熱重(DTG)曲線。選擇N2氣氛，流速為30 mL/min，溫度范圍為20～400 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2.3.4 化學結構測試

采用Nicolet IS5傅里葉變換紅外光譜儀對吸聲復合材料進行紅外光譜掃描，以確定其紅外光譜特征吸收峰。選擇衰減全反射模式，掃描波數范圍為4 000～400 cm-1。

2.3.5 斷面形貌觀察

采用FEI Quanta FEG250掃描電子顯微鏡觀察吸聲復合材料的斷面形貌，測試前對樣品進行噴金處理。

3 結果與討論

3.1 棕櫚纖維氈與PHBV質量比對吸聲系數影響

選擇面定度為143.3/102.5 g/m2的倒梯度結構，設置棕櫚纖維氈與PHBV的質量比分別為30∶70、40∶60、50∶50、60∶40，熱壓制備成復合材料，其吸聲系數如表1所示。

表1 棕櫚纖維氈和PHBV質量比對吸聲系數的影響

由表1可知，隨著棕櫚纖維氈質量比逐步增加，復合材料的吸聲系數平均值呈現先上升后下降的趨勢。當棕櫚纖維氈與PHBV質量比為40∶60時復合材料的吸聲系數平均值最高，質量比為30∶70時復合材料的吸聲系數平均值最低。原因在于PHBV質量占比過低時，造成熱壓復合材料內部孔隙率過大，使吸聲系數較低；而隨著PHBV質量占比的增加，熱壓復合后材料表面越來越光滑，造成聲波反射量增加，因此，進入吸聲材料內部的聲波減少，使吸聲系數又出現降低。故選擇棕櫚原纖與PHBV質量比為40∶60為佳。

3.2 棕櫚纖維氈面密度對吸聲系數的影響

選擇面密度分別為102.5、143.3、206.2 g/m2的3種單層棕櫚纖維氈，設置棕櫚纖維氈與PHBV質量比為40∶60熱壓制備成復合材料，測得各材料的吸聲系數如表2所示。

表2 棕櫚纖維氈面密度對吸聲系數的影響

由表2可知，復合材料的吸聲系數隨棕櫚纖維氈面密度的增加呈現先增加后降低的趨勢。原因在于面密度的增加，使聲波透過試樣時與棕櫚纖維的接觸機會就更多，從而使消耗的聲能增加，傳播路徑變長；但當面密度達到206.2 g/m2時，棕櫚纖維氈內部纖維排列過于緊密，因孔隙率過低造成吸聲系數降低。

3.3 棕櫚纖維線密度對吸聲系數的影響

選擇纖維線密度分別為14.5、15.8、16.5 dtex的3種單層棕櫚纖維氈，固定纖維氈面密度為 143.3 g/m2、棕櫚纖維氈與PHBV質量比為40∶60，熱壓制備復合材料，測得各材料的吸聲系數如表3所示。

表3 棕櫚纖維線密度對吸聲系數的影響

由表3可知，當棕櫚纖維氈與PHBV質量比、纖維氈的面密度均相同時，線密度較小的棕櫚纖維制備成的復合材料的吸聲性能相對較好。原因在于纖維越細，其直徑越小，單位面積內含有的棕櫚纖維的根數越多，聲波進入材料內部后將有更多幾率接觸多孔纖維表面[18]，從而將更多的聲能轉化成熱能而消耗掉。故選擇棕櫚纖維線密度為14.5 dtex為佳。

3.4 棕櫚纖維氈梯度結構對吸聲系數影響

當棕櫚纖維氈與PHBV質量比為40∶60、纖維線密度為14.5 dtex、纖維氈總面密度為245.8 g/m2時，選擇面密度組合為143.3/102.5、122.9/122.9、102.5/143.3 g/m2的3種梯度結構的2層棕櫚纖維氈，熱壓制備得到相同厚度的復合材料，測得各材料的吸聲系數如表4所示。

表4 棕櫚纖維氈梯度結構對吸聲系數的影響

表4表明，143.3/102.5 g/m2倒梯度結構的復合材料的吸聲系數最高，122.9/122.9 g/m2相同結構復合材料的吸聲系數居中，102.5/143.3 g/m2正梯度結構復合材料的吸聲系數最小，這論證了不同梯度結構使得纖維氈的表面特征阻抗不一樣，造成最終材料的吸聲系數不一樣。

3.5 多孔粉煤灰陶粒對吸聲系數的影響

選擇纖維線密度為14.5 dtex，梯度結構為143.3/102.5 g/m2(倒梯度)的2層棕櫚纖維氈，與PHBV、多孔粉煤灰陶粒按照質量比分別為37.5∶57.5∶5和35∶55∶10熱壓制備成復合材料，測得各材料的吸聲系數如表5所示。

表5 多孔粉煤灰陶粒質量分數對吸聲系數的影響

由表5可知：添加多孔粉煤灰陶粒后，復合材料的吸聲系數在500～1 000 Hz范圍內較未添加的復合材料有顯著提升，表明添加多孔粉煤灰陶粒可改善材料的低頻吸聲性能；添加質量分數為5%的多孔粉煤灰陶粒時，復合材料的吸聲系數較未添加時提高了19.7%，且其平均吸聲系數高于質量分數為10%的復合材料。原因在于多孔粉煤灰陶粒自身為多孔結構，添加一定量時可與棕櫚纖維氈共同改善材料的吸聲性能；但添加過量時，其顆粒逐步占據復合材料內部的空隙，造成孔隙率降低，空氣流動變少，使吸聲系數降低。

綜合上述實驗結果得出：棕櫚纖維氈與PHBV質量比、棕櫚纖維氈面密度、多孔粉煤灰陶粒的添加主要通過改變孔隙率(φ)來影響吸聲系數；棕櫚纖維線密度主要通過改變材料流阻(σ)來影響吸聲系數；纖維氈梯度結構主要通過改變材料表面聲阻抗(Z)來影響吸聲系數。棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料獲得最優吸聲性能的工藝方案為：棕櫚纖維氈與PHBV的質量比為40∶60，棕櫚纖維線密度為14.5 dtex，棕櫚纖維氈梯度結構為143.3/102.5 g/m2，此時復合材料的吸聲系數為0.53，添加5%的多孔粉煤灰陶粒可使復合材料的吸聲系數提高到0.66。后文均采用該優化工藝制備的棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料進行進一步分析。

3.6 吸聲復合材料的結構和性能分析

3.6.1 斷面形貌分析

縱向劈開后的棕櫚纖維及棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的斷面SEM照片如圖1所示。可知：縱向劈開后的棕櫚纖維內部存在著明顯孔隙與溝槽；吸聲復合材料的斷面粗糙不平，出現一些孔洞，說明該熱壓復合材料屬于多孔材料。

圖1 棕櫚纖維及棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的SEM照片

3.6.2 化學結構分析

圖2 棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的紅外光譜圖

3.6.3 熱穩定性分析

棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的TG和DTG曲線如圖3所示。可知：溫度小于250 ℃時，吸聲復合材料未存在內部結合水和物理吸附水的損失，原因在于熱壓工藝已完全將材料干燥；復合材料的熱解起始溫度為260～270 ℃(質量損失率為5%時)，其質量損失速率最高可達2.2 mg/min，此時主要是纖維素、半纖維素、木質素等主要成分發生熱解反應；350 ℃以后熱解過程進入炭化階段，此后復合材料的質量損失速率近似保持水平直線。

圖3 棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的TG和DTG曲線

3.6.4 拉伸力學性能分析

棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的應力-應變曲線如圖4所示。可知，棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的拉伸強度約為36.3 MPa，斷裂伸長率約為3.4%，其拉伸強度高于黃麻吸聲復合材料的拉伸強度(一般為28.5～30.5 MPa[7])。原因在于棕櫚纖維的斷裂強度高于黃麻纖維[5]，故其吸聲復合材料的拉伸性能也優于黃麻。

圖4 棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的應力-應變曲線

當前市場上黃麻吸聲復合材料平均吸聲系數為0.45～0.70[7]，說明本文制備的棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料可部分替代黃麻纖維，以緩解當前黃麻原料相對緊缺的現狀。

4 結 論

棕櫚纖維氈/聚(3-羥基丁酸酯-co-3-羥基戊酸酯)(PHBV)熱壓復合材料的吸聲系數受原料質量比、棕櫚纖維線密度、棕櫚纖維氈的面密度、棕櫚纖維氈的梯度結構等影響，當棕櫚纖維氈與PHBV的質量比為40∶60，棕櫚纖維線密度為14.5 dtex，棕櫚纖維氈梯度結構為143.3/102.5 g/m2時，熱壓制備復合材料的平均吸聲系數為0.53，添加質量分數為5%的多孔粉煤灰陶粒可使其平均吸聲系數提高至0.66。棕櫚纖維氈/PHBV熱壓復合材料的斷面粗糙不平，存在孔洞，熱解起始溫度為260～270 ℃(質量損失率為5%時)，拉伸強度約為37.3 MPa。棕櫚纖維氈/PHBV熱壓復合材料的平均吸聲系數與黃麻吸聲復合材料相當，可部分替代黃麻制成汽車內飾材料，緩解當前黃麻較為緊缺現狀。