玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料的制備與性能

趙心一, 呂麗華, 魏春艷, 崔永珠

玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料的制備與性能

趙心一, 呂麗華, 魏春艷, 崔永珠

(大連工業(yè)大學(xué)紡織材料與工程學(xué)院,遼寧大連 116034)

將玉米皮經(jīng)脫膠處理獲得玉米皮纖維,再將玉米皮纖維與聚乳酸復(fù)合制備力學(xué)性能優(yōu)良的纖維板,并設(shè)計(jì)加工出具有吸聲功能的狹縫共振結(jié)構(gòu)組合形成玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料。采用SW422/SW477阻抗管運(yùn),用傳遞函數(shù)法測試了玉米皮纖維/聚乳酸復(fù)合材料的吸聲性能。分析了在穿縫板上所貼合麻氈的層數(shù)、材料與剛性壁之間的空氣層厚度及穿縫板的穿縫率對吸聲系數(shù)的影響。結(jié)果表明,2 mm厚的穿縫板,穿縫率為7%,添加1層3 mm的麻氈及留有2層共1 cm空氣層時,材料吸聲性能最好,在頻率為1 600 Hz時吸聲系數(shù)可達(dá)到0.95。

玉米皮纖維;聚乳酸;吸聲材料;微縫板;纖維板

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0 引 言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國,玉米產(chǎn)量較大,玉米的農(nóng)作物廢棄物較多,對其再利用率較低。研究發(fā)現(xiàn)[1],包裹玉米棒的玉米皮具有較好的力學(xué)性能,若對其進(jìn)行合理開發(fā)利用,不僅可以減少焚燒等帶來的環(huán)境污染,還可以解決資源匱乏所帶的能源問題,符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[2-4]。

隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化步伐的加快,噪聲污染變得越來越嚴(yán)重。噪聲對人們的聽力、睡眠、生理、心理等方面能造成很大影響和危害[5]。此外,隨著生活水平的提高,人們對聲學(xué)環(huán)境的要求越來越高。因此,對吸聲材料的需求呈迅猛增長之勢的同時也對吸聲材料的性能提出了更嚴(yán)格的要求,即吸聲材料必須實(shí)現(xiàn)從過去單一吸聲功能向高吸聲性、裝飾性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等多功能轉(zhuǎn)變[6]。

近年來,對于復(fù)合材料的吸聲結(jié)構(gòu)與理論方面的研究重點(diǎn)集中在微穿孔板方面,而對于微縫板的文獻(xiàn)報(bào)道很少[7-8]?！段⒋┛装逦暯Y(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計(jì)》[9]一文的發(fā)表,標(biāo)志著這一獨(dú)創(chuàng)理論的誕生。馬大猷[10]對穿孔板及穿孔板結(jié)構(gòu)的特性做了進(jìn)一步的分析,給出了計(jì)算其結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法。FRETZSCHNER等[11]提出了一種替代傳統(tǒng)微穿孔板的設(shè)計(jì)方法,即制備出厚度在毫米級的微穿孔板。苑改紅等[12]通過測試穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù),得出吸聲薄層的加入及板后空腔的設(shè)計(jì),使得穿孔吸聲板具有較寬的吸聲頻帶。左言言等[13]對穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性進(jìn)行了理論分析與計(jì)算。盧偉健等[14]在馬大猷的理論基礎(chǔ)上,分析了變截面微穿孔板的吸聲特性,并利用傳遞函數(shù)法,通過阻抗管進(jìn)行了試驗(yàn)。盛勝我[15]對穿孔板背面緊貼吸聲薄層時的聲學(xué)特性進(jìn)行了理論分析與計(jì)算,得出當(dāng)穿孔板背后緊貼吸聲薄層后,由于穿孔末端增加的附加聲阻,顯著提高了穿孔板的吸聲效果,同時拓寬吸聲頻帶寬度。這些研究對吸音材料的進(jìn)步具有重要的作用。

本試驗(yàn)以玉米皮為原料,從中提取出玉米皮纖維,再將玉米皮纖維和聚乳酸復(fù)合,制備具有優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)同時價廉質(zhì)輕環(huán)境相容性好的纖維板,并在纖維板上加工出狹縫結(jié)構(gòu),同時添加麻氈和空氣層,進(jìn)而獲得具有狹縫共振吸聲結(jié)構(gòu)的玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料,并對其吸聲性能進(jìn)行表征與分析。

1 試 驗(yàn)

1.1材料與儀器

玉米皮,吉林省白城市;氫氧化鈉、尿素、過氧化氫、脫模劑,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;聚乳酸顆粒(PLA),深圳易生材料有限公司;麻氈,實(shí)驗(yàn)室制備。

SJK-160開放式塑煉機(jī),武漢怡揚(yáng)機(jī)械有限公司;MN壓力成型機(jī),江蘇無錫市中凱橡膠機(jī)械有限公司;ZHY-W萬能制樣機(jī),承德建德檢測儀器有限公司;SW422/SW477阻抗管吸聲隔音測試系統(tǒng),北京聲望聲電技術(shù)有限公司。

1.2玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料的制備

1.2.1 玉米皮纖維的制備

工藝流程:原料準(zhǔn)備→預(yù)尿氧預(yù)處理→水洗→堿煮→熱水洗→冷水洗→烘干[16]。

預(yù)尿氧預(yù)處理工藝參數(shù):浴比1∶15、溫度30℃、尿素質(zhì)量濃度6 g/L、過氧化氫質(zhì)量濃度8 g/L、時間40 min。

堿煮工藝參數(shù):浴比1∶15、溫度100℃、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、時間30 min。

1.2.2 玉米皮纖維/聚乳酸復(fù)合材料的制備與性能表征

工藝流程:原料混合→共混塑煉→涂刷脫膜劑→熱壓機(jī)預(yù)熱→恒溫加壓→冷卻定型→脫膜→纖維板。

工藝參數(shù):玉米皮纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%,纖維長度10 mm,熱壓時間6 min,熱壓溫度170℃。

玉米皮纖維/聚乳酸復(fù)合材料力學(xué)性能:拉伸強(qiáng)度69.35 MPa;彎曲強(qiáng)度90.28 MPa;沖擊強(qiáng)度18.4 kJ/m2。

1.2.3 穿縫板的制備

利用MHY-W型萬能制樣機(jī)在厚度為2 mm的玉米皮纖維/聚乳酸復(fù)合材料上開3 mm的微縫,穿縫率分別為3%,5%,7%。加工完成后對穿縫板進(jìn)行表面處理,除去殘?jiān)?/p>

1.2.4 玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料的制備

在穿縫板上涂敷黏合劑與麻氈黏合,制備吸聲復(fù)合材料。在安裝吸聲復(fù)合材料時與被接觸物體之間留有一定距離形成空腔,形成空氣層。

1.3吸聲性能測試

采用駐波管法[17-18],按照GB J85—1985《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范》檢測玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料的吸聲系數(shù),檢測設(shè)備采用SW422/SW477阻抗管。應(yīng)用傳遞函數(shù)法測量吸聲系數(shù)[19]。

實(shí)驗(yàn)方法:將所要測量的吸聲試樣按照測試儀器的截面標(biāo)準(zhǔn),剪成直徑為100 mm的圓形試樣,然后將試樣緊密地貼實(shí)于駐波管安放試樣端,試樣背后盡量不留空氣層,保證試樣與管壁接觸處無縫隙。頻譜分析分辨率RTA采用1/3倍頻程,相同聲源和相同接收系統(tǒng)下,通過調(diào)試探測器測量頻率范圍為80～6 300 Hz下的聲壓p1和p2,從而計(jì)算得各試樣的吸聲系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.14種不同結(jié)構(gòu)材料的吸聲系能對比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,制備4種不同結(jié)構(gòu)材料。分別為玉米皮纖維/聚乳酸纖維板(以下統(tǒng)稱纖維板)(材料(1)),纖維板+麻氈復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)(材料(2)),纖維板+麻氈+空氣層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)(材料(3)),穿縫板+麻氈+空氣層共振吸聲結(jié)構(gòu)(材料(4))。分別對其吸聲性能進(jìn)行測試,得到4種結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線,如圖1所示。

由圖1可知,材料(1)在所測試頻率范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)很低,吸聲性能不好;材料(2)由于添加纖維類吸聲層,使其具有了一定多孔吸聲材料的屬性,因而吸聲性能得到一定的改善。材料(3)吸聲性能在低頻范圍內(nèi),由于麻氈和空氣層的共同作用得到了明顯的改善,但吸聲頻帶較窄。在高頻范圍為內(nèi),由于頻率遠(yuǎn)離了組合結(jié)構(gòu)材料的共振頻率,吸聲性能反而有所降低。材料(4)由于添加狹縫形成狹縫共振結(jié)構(gòu),克服在低頻區(qū)吸聲性能差的缺點(diǎn),在低頻區(qū)取得良好吸聲效果且吸聲頻帶較寬。

圖1 4種結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線Fig.1 Absorption coefficient curve of the four different structures combinations

2.2正交試驗(yàn)

采用L9(33)正交表,通過正交試驗(yàn)考察了穿縫率、麻氈層數(shù)、空氣層厚度3個因素對玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料吸聲性能的影響。每個因素選取3個水平,因素水平表如表1所示,正交試驗(yàn)所測得的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知,在不同的頻率范圍下,不同穿縫率試樣的吸聲系數(shù)不同,即試樣的穿縫率越大,中低頻吸聲性能越好,而高頻吸聲性能越差。因?yàn)殡S著材料穿縫率的增大,由于聲波較容易進(jìn)入材料內(nèi)部,聲波進(jìn)入微孔后,引起纖維對媒質(zhì)(空氣)的相對運(yùn)動摩擦損耗掉一部分聲能,空氣與孔壁間的黏滯損耗也加強(qiáng),明顯提高吸聲系數(shù)。同時,隨著空氣層厚度的不斷增加,吸聲系數(shù)峰值不斷向低頻方向移動。原因可能是穿縫板與空氣層所組合成的狹縫共振吸聲結(jié)構(gòu)對聲波的吸收與共振頻率密切相關(guān)。當(dāng)兩者相近時,會明顯吸收聲波。吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率隨添加空氣層的厚度增加而降低,從而導(dǎo)致在與共振頻率相近的低頻區(qū)吸聲結(jié)構(gòu)材料有良好的吸聲性能,而遠(yuǎn)離共振頻率時吸聲結(jié)構(gòu)材料吸聲性能較差。

表1 正交試驗(yàn)L9(33)各因素水平Tab.1 The level of each factor orthogonal experiment L9(33)

表2 正交試驗(yàn)下不同頻率吸聲復(fù)合材料的吸聲系數(shù)Tab.2 Sound absorption coefficient of different sound-absorbing composite frequencies in orthogonal experiment

由表2還可以看出,吸聲復(fù)合材料在中低頻的吸聲效果較好,吸聲系數(shù)峰值幾乎出現(xiàn)在1 600 Hz范圍內(nèi),所以選取1 600 Hz頻率下吸聲系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其極差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知,影響玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料吸聲系數(shù)的顯著因素順序?yàn)?空氣層厚度,麻氈層數(shù),穿縫率?？諝鈱雍穸葘υ嚇拥奈曄禂?shù)影響最大,試樣背后增加空氣層厚度可顯著提高材料的中低頻時的吸聲系數(shù)。麻氈層數(shù)對吸聲性能的影響也很大,添加麻氈即等于增加吸聲材料的整體厚度,材料吸聲系數(shù)峰值向低頻方向移動,低頻吸聲系數(shù)將有所增大,但對高頻的影響很小。綜合考慮:穿縫率為7%,1層3 mm的麻氈和2層共1 cm的空氣層,此時,玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料的吸聲系數(shù)較高,在1 600 Hz時的吸聲系數(shù)為0.95,吸聲性能較好。

表3 1 600 Hz下吸聲復(fù)合材料吸聲系數(shù)的極差分析Tab.3 Range analysis of absorption coefficient of sound absorption composite at 1 600 Hz

3 結(jié) 論

通過對比分析幾種不同的結(jié)構(gòu)材料,穿縫板+麻氈+空腔的材料吸聲系數(shù)最大,即添加狹縫共振吸聲結(jié)構(gòu)和纖維類吸聲層組合成的玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料的吸聲效果最好;通過正交試驗(yàn)和極差分析得出:穿縫率為7%,添加1層3 mm的麻氈和留有1 cm厚的空氣層時吸聲復(fù)合材料具有最好的吸聲效果,在1 600 Hz時的吸聲系數(shù)為0.95,且影響玉米皮纖維/聚乳酸吸聲復(fù)合材料吸聲系數(shù)大小因素的顯著順序?yàn)?空氣層厚度、麻氈層數(shù)、穿縫率。

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Fabrication and sound absorption properties of corn husk fiber/polylactic acid composite materials

ZHAO Xinyi, LYU Lihua, WEI Chunyan, CUI Yongzhu
(School of Textile and Material Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

Fiberboard with excellent mechanical properties were prepared by corn husk fiber degummed from corn husk and polylactic acid.Corn husk fiber/PLA sound absorption composites were composed of slit resonant structure with sound-absorbing function.The sound absorption properties of the composites were tested by transfer function method using impedance tubes SW422/SW477,and the effects of hemp felt layers,the thickness of air layers between the material and rigid wall,the wear rates on sound absorption properties were analyzed.The results showed that when the fiberboard thickness was 2 mm,wear rate was 7%,one hemp felt layer was 3 mm and air layers was 1 cm thickness,the composites had best sound absorption performance.At 1 600 Hz,the absorption coefficient could reach to 0.95.

corn husk fiber;polylactic acid;sound-absorbing composites;slitted-panel absorber;fi

TS101.31

:A

文章編號:1674-1404(2015)05-0366-04

2014-04-23.

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2012047).

趙心一(1991-),女,碩士研究生;通信作者:呂麗華(1978-),女,副教授.