聚氨酯材料代替木材制作樂器的研發與應用 （上）

宋恩輝

摘要：聚氨酯材料代替木材制作樂器的研發與應用是解決代用木材的途徑之一，但因以其制作樂器的特殊屬性，在應用的過程中集中精力考慮其傳導共鳴載體的特點，要進行反復的配比測試和實踐，以其達到真正能較好地代替木材用于樂器制作。本文以聚氨酯材料制作琵琶背板的研發經歷來論述聚氨酯材料代替木材制作樂器的研發與應用。

關鍵詞：聚氨酯材料? 樂器制作? 代替木材? 澆注式琵琶背板

序

隨著社會工業化水平不斷提高，各類工業產品對木材的需求量快速增長?！笆濉逼陂g中國木材總消耗量在3億立方米左右，除在造紙、建筑裝飾、家具制品等行業之外，民族樂器制作同樣需求大量木材作為原料。一般認為：木材所具有的通透性，柔韌性，最適合制作樂器，尤其是民族樂器。然而，木材在被人們廣泛利用的同時，其供應量卻遠遠滿足不了國內剛需，國內木材的供需矛盾日益加重，導致制作民族樂器材料將日顯匱乏。

根據國辦發（2005）58號《關于木材節約和代用工作的意見的通知》的文件精神，樂海樂器公司自2019年起，由研發部申請立項，研發重點是可代替木材的樂器制作材料的實踐與應用。本文以樂海樂器研發部用聚氨酯材料制作琵琶背板的技術研發為例，論述用聚氨酯材料代替木材制作樂器的可行性與技術要點。

一、代用木材的材料研發的現狀

自1937年聚胺脂材料問世以來，得到各行業極為廣泛的應用。但在開發應用其材料的著重點卻有所不同。本文以樂器制作中節約自然資源、尋找代用木材的角度來論述聚氨酯材料作為代用木材進行樂器制作的研發工作為主線做以展開。尋求其在新材料、新工藝、新科技及成果研發與應用的積極作用，促進樂器工業的進步發展。[1]

1．回顧民族樂器木材原料處理的現狀

民族樂器木材原料處理的周期比較漫長，從圓木開解，到板材加工生產的自然存放，到半成品料的清水浸泡、蒸汽烘干處理，到樂器制作成型要經過3～5年的周期，不僅需要耗費大量的人力，而且在木料的加工處理過程中容易出現木材收縮、開裂、變形等現象，在剔除疤節、瑕疵后制作成樂器、在樂器的加工制作過程中，木材的利用率不足50%，甚至有些樂器木材的使用率會更低，大量的木料在開解、加工過程中變成了鋸沫、刨花，而民族樂器的腔體、部件等大多是不規則的異型。在加工的過程中，剔除疤節、劈裂等使得民族樂器在加工處理過程中的人工費用、處理成本、設備費用越來越高，木材利用率則更低。而這種利用率低的現狀嚴重局限民族樂器的生產發展，不符合國家提出的生產節約規劃的要求。

2．考慮急需研發代用木材材料的現實意義

根據當前樂器行業生產材料供需的現狀，亟需尋找一種綠色的環保材料代替木材用于民族樂器的制作。當然其前提是要保證樂器音質為基礎，以節約資源、環保節能，提高效率和促進發展為目標。關于聚胺脂材料應用于樂器制作，尤其材料作用于琴體傳導、增加共鳴和保證音質效果等方面的技術資料及論述尚屬空白，沒有任何可借鑒參考的成功范例。因此，首先考慮在具體樂器琴體部分的材料研發將成為研發工作的焦點。我們認為這項研究是在具有時代發展形勢下，促進樂器制作材料革新意義的一項研究。

3．以琵琶背板制作為例的研發實踐目標確定

在我們探索新的材料應用的實踐中，根據琵琶制作的特殊性——琵琶背板工作量最大，用料最多，是樂器制作材料供需矛盾的突出部分。我們的研發工作的第一步就是考慮研究幾種備選新材料的材料特點及應用實踐的可行性。工作方案是把琵琶其它部分如琵琶音板、琴軸、琴首依然采用桐木和硬雜木制作。設想以琵琶背板為攻關載體，即是用ABS工程塑料模具成型或用聚氨酯材料的調配試制代替木材用于琵琶制作，待取得階段性研發成果和經驗后，再進一步擴展研究內容。

二、新材料的研制實踐

我們首選的材料是ABS塑料和聚氨酯材料，嘗試利用這些材料作為新材料應用于琵琶背板制作的實踐如下。

研發應用一：利用ABS塑料通過高壓加熱試制琵琶背板材料

1．我們根據琵琶背板的工藝尺寸要求，按其弧度設計制作出標準的琵琶背板模型，然后利用激光掃描完成琵琶背板的3D外形程序制作，按其3D外形加工完成ABS材料的澆注模具，模具制作完成后開始試制。我們把ABS材料進行混合，把混合好的ABS材料注入注塑機在高溫、高壓的環境下制作ABS材料的琵琶背板。

2．應用效果：琵琶背板是異形件，其背板邊緣最薄處有15mm，背板最厚處有30～40mm，寬度為316mm。脫模后發現ABS塑料在厚薄不等時，厚度越大其收縮量也越大，或反之。收縮量的不一樣，導致琵琶背板的表面出現了縮坑，凹凸不平。這種注塑收縮量的不均勻成為ABS塑料材料制作琵琶背板的瓶頸問題。試驗了不同配比的ABS材料均不能滿足琵琶背板的制作工藝要求。

研發應用二：利用聚氨酯材料試制琵琶背板的研發實踐

我們從市場上購買了聚氨酯材料，把A料和B料各稱重200克，按1：1的比例混合在一起，倒入一個準備好的圓桶中，5分鐘后觀察兩種材料發生劇烈反應，體積迅速膨脹，體積膨脹率達到了300%，冷卻后觀察：聚氨酯的混合材料出現了不均勻的氣泡，按其體積、重量測算其密度不足0.2g/cm?，而演奏者對琵琶重量的要求是3500～4000g較為適宜、按琵琶背板的體積計算，聚氨酯材料的密度要控制在0.65～0.85g/cm?左右才能和一般的木材密度一致、以滿足演奏者對琵琶背板的重量要求。

三、應用聚氨酯材料的模具研制與澆注工藝

在研發的材料與應用數據整理的研發工作中，研發的失敗促使我們更大范圍地查閱資料，請教聚氨酯材料廠家的師傅，了解聚氨酯材料的基本特性。通過調節聚氨酯的澆注量及添加發泡劑的多少，生產出不同密度的聚氨酯材料、于是我們按照聚氨酯材料的硬泡工藝，根據琵琶背板的密度需求，利用聚氨酯材料韌性強、密度可根據材料澆注量調整的特性，再次利用聚氨酯澆注成形的特點試制琵琶背板，開始進行了模具制作工藝的研發，從而進入了新材料研發應用的最基礎最具針對性的技術研發階段。

1．用聚氨酯制作琵琶背板的澆注成型模具研發。根據琵琶結構的特性要求，我們用聚氨酯材料制成的琵琶背板開口近似半梨形狀，其背板開口沿的內邊上部設有供音板側邊卡臥其內的凹槽，背板的上端邊設有榫頭，琴頭夾桿的下端與榫頭連接以此作為琵琶制作的基本方案，然后開始制作聚氨酯琵琶背板的鋁合金澆注模具。

2．研發模具所考慮的問題處理。聚氨酯材料在制作時會產生二氧化碳（CO2）氣體，需要預留放氣孔排氣，設定在模具的頂部及模具邊緣處預留5～8個氣孔。為保障聚氨酯琵琶的手感舒適及琵琶背板脫模后注件的光潔度，對琵琶澆注模具里膛進行打磨拋光，使其光潔度滿足琵琶生產的工藝要求，為預防聚氨酯材料反應時體積膨脹所產生的反作用力、避免模具受力變形，故設定聚氨酯琵琶澆注模具的主體材料使用鋁合金材料以滿足聚氨酯琵琶的生產需求。

3．利用聚氨酯硬泡材料制做琵琶背板注件的方法

（1）準備階段：準備聚氨酯發泡設備、組合主料和背板模具；組合主料由下述重量份的A、B組份材料組成。

A組份材料：聚醚多元醇100份、其中3官能聚醚40～60份，高官能聚醚40～60份，催化劑0.3～0.8份，去離子水0.3～0.6份，色漿1.0～1.5份；

B組份材料：純MDI 42～48份， 聚合MDI32～38份，MDI50為17～23份合計100份。

（2）依次序將A組份材料加入混合罐中，罐溫保持22～25℃，轉速80～120轉/分鐘，進行均勻攪拌，攪拌混合4～8小時后，靜置12小時，將靜置后的A組份料加入到高壓聚氨酯澆注機A組份料罐中氮封開啟低壓循環20分鐘后，高壓循環10分鐘，得A料。

（3）依次序將加溫至45℃的B組份材料加入混合罐中，罐溫保持恒溫40～45℃，轉速60～80轉/分鐘，進行均勻攪拌，攪拌混合1～2小時后，靜置1小時，將靜置后的B組份料加入到高壓聚氨酯澆注機B組份料罐中氮封開啟低壓循環20分鐘后，高壓循環10分鐘，得B料。

（4）AB料混合膠液。按A料羥值，B料NCO含量計算理論合適比例，計算出一個產品體積比、重量比，取A料、B料的體積比為1：0.88；測得A料比重1.23，B料比重1.08；取A料、B料的重量比為1：1。

根據體積、注料量、制品密度的關系原理，大約測量出產品的體積，再根據一個產品密度要求，計算出注料重量，根據液比求得A、B料分別的重量。

（5）高壓注膠機調整。①做吐出測試，分別打開儲存A、B料的混合罐中的計量閥，設定統一時間、壓力，計量吐出膠液量，并根據計量吐出膠液量調整，使吐出A、B料膠液量的重量比為1：1；②進行吐出膠液量驗證，將吐出膠液量置驗證容器，觀察起發速度和混合狀態是否符合制備要求，合格可進行模具澆注程序。

（6）模具加熱。將模具進行水浴加熱，加熱至55～65℃，并保持恒溫，同時將模具的模腔清理干凈，在模腔內噴涂水性脫模劑，噴涂計量控制在5～8g/m?，將模具關合、氣缸壓力控制在4兆帕以上。

（7）灌注工序。①檢測機器、模具、聚氨酯液均符合要求，開始灌注，設定所需膠液量，將高壓聚氨酯澆注機的注射槍頭插入模具注料口，啟動灌注按鍵將膠液在20s內全部注入模具中，迅速拔出注膠槍，將模具注膠口封堵關閉；②啟動模具固定夾具調整角度為直立，靜置8～10分鐘后，待聚氨酯液熟化穩定后取出產品，利用修邊工具清理產品邊角毛邊及排氣孔，將做好的產品放置到恒溫室進行后期定型固化，完成聚氨酯琵琶背板的制作。在聚氨酯琵琶背板的制作品中可根據添加發泡劑的量和聚氨酯材料的注入量來實現其密度的改變，填充量越大其密度也越大。

（8）澆注件表面氣泡的控制。在聚氨酯琵琶背板的澆注過程中，經常會出現澆注件表面出現氣泡，其原因是在聚氨酯AB料的反應過程中產生一定量的CO2，當CO2不能及時排出模具時，占據一定的模具空間就形成了氣泡，氣泡一般大多集中在琵琶背板的邊角及模具的最高位置處，給琵琶的后期制作帶來麻煩，為了解決琵琶背板表面的氣泡問題，我們嘗試在聚氨酯混合料澆注時調整模具角度，使其所產生的CO2氣體通過模具預先設定的氣孔順利排出，確保聚氨酯澆注件的表面光潔度，保證后期琵琶制作的演奏手感。

參考文獻：

[1]鄧明（轉載）《聚氨酯仿木材料的前世今生》互聯網PU空間，2018年8月20日轉[R]

（待 續）