鋼琴樺木貼面用的膠粘材料制備

韓璐嬌

(咸陽師范學院 音樂學院，陜西 咸陽 712000)

樂器是傳遞娛樂文化的重要載體，對豐富人們的精神文化生活有不可或缺的作用。木質板材作為目前樂器構成材料中的重要組成部分，其聲學振動性能直接決定了該樂器的發音效果。但天然木材因天然缺陷和加工缺陷的問題，造成其聲學振動性能不高，進而影響樂器的聲學品質，導致樂器在使用過程中，聲調和響度都出現不可調和的問題。因此，提升樂器用木質板材的聲學振動性能是提升樂器品質的有效途徑。針對以上問題，國內很多學者也進行了多項研究，如以碳纖維為主要修飾材料，對木質音樂板材進行改性，探究了碳纖維修飾對其聲學性能的影響。結果表明，碳纖維能有效提高音樂板材的聲學振動性能和耐久性能。但碳纖維音樂板材的制作對人力成本的需求較大，在加工時，需要進行復雜的應力計算，因此，碳纖維音樂板材的成本較高，無法廣泛應用；又有學者嘗試在文獻[1]的研究基礎上，將碳纖維替換為玻璃纖維，并研究了玻璃纖維布的鋪放量對其聲學性能的影響。以上研究表明，通過纖維增強木質板材的方式能夠有效提升音板的聲學振動性能，其中制備工藝是影響音板聲學振動性能的重點。但文獻[2]的研究僅存在于玻璃纖維布的鋪放層數，對其他制備工藝并未深入研究。本文在文獻[2]的研究基礎上，研究了熱壓溫度、熱壓壓力、施膠量對復合材料聲學振動性能法的影響規律，其為木材聲學性能替代用材的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本試驗主要材料：樺木單板(臨沂市蘭山區裕奧單板廠，厚度1.45～150 mm)；膠粘劑(上海把兄弟膠粘劑有限公司，E-44)；中堿玻璃纖維布(河間市勝啟玻璃纖維制品廠，纖維直徑5～20 μm)。

本試驗主要設備：雙通道快速傅里葉變換頻譜分析儀(深圳市瑞安儀器設備有限公司，CF5220Z)。

1.2 試驗方法

樺木單板玻璃纖維復合材料制備

在樺木單板上按紋理放置玻璃纖維布，將3塊樺木單板疊加作為中心層，分別在中心層上、下表面分別鋪放一層玻璃纖維，然后在玻璃纖維表面繼續鋪放樺木單板，具體鋪設方式如圖1所示。

圖1 樺木單板/玻璃纖維復合材料鋪設方式

單因素試驗設計

通過單因素試驗研究影響復合材料聲學振動的工藝條件，具體設計方案如表1所示。

表1 單因素試驗設計方案

響應面試驗設計

選擇Design-Expert為分析軟件，Box-Behnken為原理，響應指標為聲學振動性能，探究復合材料最佳工藝參數。響應面試驗設計因素和水平如表2所示。

表2 響應面試驗設計因素和水平

1.3 性能測試

聲學振動性能檢測

使用橫向振動法對樺木單板/玻璃纖維復合材料的聲學振動性能進行檢測。具體過程：對待測試件基頻振動節點位置處進行標記，在待測試件支撐點放置泡沫三腳架，然后將傳感器置于試件一端上方，放置時要注意傳感器裝置與試件無限接近，但不能貼近。用應力錘對試件空白端敲擊，讓其振動，振動信號經微音器擴大和過濾，到達傅里葉變換頻譜分析儀中進行分析和處理，得到試件的對數衰減系數和五階共振頻率值。在專業軟件的分析下，計算復合材料的動彈性模量()、動態剛性模量()、比動彈性模量()等聲學振動性能指標，每種指標重復測試3次，取其平均值為最后結果。復合材料聲學振動性能裝置如圖2所示。

圖2 復合材料聲學振動性能裝置

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果分析

熱壓溫度對復合材料聲學振動性能影響

熱壓溫度對復合材料聲學振動性能的影響，結果如圖3所示。由圖3可知，復合材料的、隨熱壓溫度的增加表現出先增加后減小的趨勢，復合材料聲學振動性能受熱壓溫度影響較大。這是環氧樹脂膠粘劑熱固特性引起的。當熱壓溫度過低，達不到環氧樹脂膠粘劑固化溫度，此時環氧樹脂膠粘劑無法固化完全，影響彈性模量。當熱壓溫度過高時，樺木表面被熱分解，出現木材纖維素大分子分解和木材炭化現象，降低了復合材料的力學性能。

(a)熱壓溫度對E/ρ和E/G的影響

熱壓壓力對復合材料聲學振動性能的影響

聲學振動性能受熱壓壓力影響，結果如圖4所示。

(a)熱壓壓力對E/ρ和E/G的影響

由圖4可知，熱壓壓力對聲學振動的影響與熱壓溫度的影響基本一致。當熱壓壓力為1.4 MPa時，在壓力1.4 MPa時出現最優值；在壓力為1.2 MPa時出現最優值。在施加熱壓壓力時，板間和膠間傳遞能力皆受單位壓力的影響，且樺木單板具備較為疏松的結構，在施加熱壓壓力時，膠粘劑在單板內部填充，增加了樺木單板與玻璃纖維的粘接強度，進一步增強了復合材料的彈性模量與力學性能。但本試驗在進行的過程中，不對厚度進行設定，因此隨單位壓力的增加，復合材料厚度明顯降低，密度明顯增加，這對復合材料聲學振動性能的提高產生不利影響。當熱壓壓力超過單板抗壓強度，木材材質出現問題，降低了復合材料聲學振動性能。

施膠量對復合材料聲學振動性能的影響

施膠量對復合材料聲學振動性能的影響，結果如圖5所示。

(a)施膠量對E/ρ和E/G的影響

由圖5可知，復合材料的、，隨施膠量增加的變化趨勢與熱壓壓力變化趨勢基本一致。當施膠量較少，復合材料缺膠，出現斷層的情況，使樺木單板與玻璃纖維間粘接不緊密，膠粘劑滲透不完全，降低了復合材料彈性模量。施膠量較多，增加了膠層厚度，削弱了粘接程度，密度明顯增加，此時不利于復合材料的聲學振動發展。

2.2 響應面試驗結果

表3為響應面設計試驗結果；表4為Design-Expert軟件對表3的分析結果。

表3 響應面設計試驗結果

表4 Design-Expert軟件優化結果

2.3 復合材料制備工藝參數優選

在試驗因子的試驗范圍內，假定彈性模量、剪切模量和泊松比均處于最大值。通過Design-Expert軟件對試驗因素綜合優化后的最佳工藝參數：熱壓溫度為9.19 ℃，熱壓壓力為1.27 MPa，施膠量為180 g/m。考慮工藝實際取值，調整工藝為熱壓溫度89 ℃，熱壓壓力1.27 MPa，施膠量180 g/m；優化后驗證試驗結果如表5所示。

表5 優化工藝驗證結果

由表5可知，復合材料預測值與實測值差別不大，證實回歸方程與實際情況擬合度較高，具有較高的可靠度和準確度。

3 結語

(1)通過單因素試驗確定工藝因子范圍：熱壓溫度90～100 ℃，熱壓壓力0.8～1.4 MPa，施膠量180～200 g/m；

(2)用響應面分析法建立聲學振動回歸方程，繼續優化制備工藝，優化后工藝因子參數：熱壓溫度89.19 ℃，熱壓壓力1.27 MPa，施膠量180 g/m；

(3)利用Design-Expert軟件對各試驗綜合優化后的最佳工藝因子參數：熱壓溫度89 ℃，熱壓壓力1.3 MPa，施膠量180 g/m；測試值和預測值基本一致，方程和實際情況擬合度高。