木粉與相容劑含量對木塑復合材料聲學振動性能的影響

劉鎮波，李曉君，于云鵬，萬珂，郝騫，王藝達，王辰希

(東北林業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

0 引言

在樂器領域中，木材是制作樂器的首選材料，但我國珍貴木種資源緊缺，且在傳統的木材行業制作樂器過程中很難做到對木質資源的充分利用。在樂器用材的發展過程中，科研工作者針對木材的聲學性能，通過物理、化學等方式對木材功能性進行改良[1-2]，有些科研工作者針對樂器的用材要求在復合材料的制備形式、過程中進行實驗[3]。木塑復合材料作為一種新型環保材料，在家具、汽車、包裝中都有廣泛的應用[4-5]，目前國內外針對木塑復合材料的制備方法、力學性能等方面進行了諸多的研究[6-7]。研究發現聚乙烯被廣泛應用制備木塑復合材料[8]，木材-聚乙烯復合材料的力學性能較為優異，目前國內外還沒有針對木塑復合材料制備樂器用材增強聲學性能研究的相關報道。由于木塑復合材料內含木質纖維，在與塑料充分混合后，具有與硬木相當的抗壓、抗彎曲等物理機械性能，并且其耐用性明顯優于普通木質材料。表面硬度高，密度一般是木材的2倍[9-10]。木塑材料及其產品與木材相比，可抗強酸堿、耐水，并且不繁殖細菌，不易被蟲蛀。使用壽命長，可達50 a以上。木塑復合材料環保性能好，廢物完全可回收。木塑復合材料可以根據不同用途，壓制或擠出成任意形狀和尺寸。楊木是一種速生材，質輕，但強度高，彈性較好，具有適應性廣、年生長期長和生產速度快等特點，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非常重要的工業原料。木塑復合材料中木粉的含量、木粉與塑料相容的程度會影響木塑復合材料的物理性能，通過調整木塑復合材料中不同木粉含量、不同相容劑含量的實驗方案，在保證材料的聲學振動效果前提下，將木塑復合材料的優點與木材結合，研究木塑復合材料的聲學振動性能，有利于在樂器用材領域開發新材料。因此，本文采用楊木-聚乙烯復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合材料的制備對復合材料聲學振動性能的影響，以探索木塑復合材料應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；東北林業大學自制混合楊木粉(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 實驗方法

1.2.1 木塑復合材料制備

(1)不同木粉含量木塑復合材料制備

將木粉放入電熱恒溫鼓風干燥箱中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型熱壓機中，熱壓溫度140 ℃，加熱預壓時間為5 min，加壓時間為10 min，加壓壓力為5～7 MPa。將壓制成型的木塑復合材料鋸裁成40 mm×300 mm的長條形試件。根據已有對木粉含量的研究[11-12]，確定木粉含量(質量分數)為60%、65%、70%、80% 4個水平，進行6組平行實驗，共計24份樣品。

表1 實驗材料數據

(2)不同相容劑含量木塑復合材料制備

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個水平，進行6組平行實驗，共計24份樣品。

1.2.2 木塑復合材料聲學振動性能測定

木塑復合材料的聲學振動性能優劣可以從其振動效率、聲輻射能力、頻率響應特性及音色等方面體現，主要指標為：聲阻抗(ω)、對數衰減率(δ)、比動彈性模量(E/ρ)、聲輻射品質常數(R)。

根據梁的振動理論，按照彎曲振動的試驗方法，采用復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)測定木塑復合材料的各項聲學振動參數[14]。

2 結果與分析

2.1 木粉含量對聲學振動性能的影響

分析木粉含量對木塑復合材料各項聲學振動性能參數的影響，結果如圖1所示。

聲阻抗(ω)是說明在介質中因為力學的擾動導致某一位置質點變化的阻尼特性[15]。在振動時，ω越小，表明材料的振動效果越好。從圖1(a)可以看出，4組試件在聲阻抗性能測試中，前3組參數相當，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。通過實驗可以發現，木粉與PE的比例越小，ω越小，材料的振動效果越好。

對數衰減率(δ)是材料在受到沖擊或周期性的振動后，在相鄰連續振動周期振幅之比的自然對數。δ越低的木材，振動衰減速度慢，有利于樂器聲音的余韻飽滿，較適合制作樂器的共鳴板[2]。通過實驗可以發現，木粉含量所占比例不同會對木塑復合材料的聲學振動性能造成影響。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振動性能較差，衰減效果差[16]，而木粉的加入使木塑復合材料的δ下降。所以，木粉含量的增加會對木塑復合材料的聲學振動參數δ產生影響。試樣的木粉含量與δ之間的關系如圖1(b)所示。圖1(b)中4組試件的δ呈現較明顯的差異，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衰減頻率，當材料的振動衰減頻率低時，有利于保持一定的余音，使樂器的聲音飽滿。

圖1 木粉含量對木塑復合材聲學振動性能的影響

比動彈性模量是表示木材順紋方向細胞壁的平均動彈性模量(E/ρ)[15]。在木塑復合材料中，木粉含量會對材料的力學性能有很大的影響[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系，密度越小，E/ρ越大，材料的振動效率越高[15]。而前3組相差不大，這可能是由于接近的木粉含量導致試材的密度差異小。當增加木粉含量時，木粉之間的間隙減小，而木粉中樹脂等物質存在相當于增強了木粉之間的黏合力。木粉含量增多，木粉間相互交聯、纏繞，木塑復合材料的力學性能提高[10]。

通過以上實驗數據可以發現，隨著木粉含量的增加，木塑復合材料的聲阻抗性能下降，這可能是因為在木塑復合材料中，木粉與塑料的融合程度隨木粉含量增加而變差，導致聲阻抗數值增加，振動效果下降；木塑復合材料的對數衰減率增加，但在木粉含量為65%時達到最低值且與其他3組有明顯差別，這可能是由于木粉與塑料比例在65∶35時，木粉與塑料的融合效果更好，木塑復合材料更加均勻，在測試時表現出較慢的衰減情況，木塑復合材料的比動彈性模量增加，這是由于木材在木塑復合材料中承擔更多的受力，木塑復合材料的力學性能隨木粉含量的增加會有一定程度的提高；木塑復合材料的聲輻射品質常數近似，但在木粉含量為65%時達到最高，這可能是由于木粉含量為65%時，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。所以當木粉含量占比在65%時，振動衰減率最低、聲輻射品質常數最大，這種情況下振動能量損失較小，振動效率高，綜合來看各項聲學振動指標更好。

2.2 佳易容聚乙烯(MAPE)含量對聲學振動性能的影響

相容劑是一種高分子偶聯劑，是高分子反應間的助劑。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力變強，有利于復合材料結構的穩定[17]。通過木粉含量變化對木塑復合材料聲學性能的影響分析，在65%木粉含量的基礎上選擇改變相容劑含量，進行平行實驗，分析木材聲學性能變化，結果如圖2所示。

圖2 不同相容劑含量對木塑復合材聲學振動性能的影響

從圖2可以看出，不同相容劑含量對木塑復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合材料的聲阻抗值接近，聲學振動效果相同；而更改相容劑含量對木塑復合材料的對數衰減率影響較大，如圖2(b)所示，相容劑由于本身存在可以與2種聚合物進行物理或化學結合的基團，使復合材料更好地融合，而材料的聲衰減系數則考慮到材料表面的振動效果，材料表面越平整，表面融合程度越高，材料的聲學振動效果會越好。相容劑含量的變化對木塑復合材料的比動彈性模量和聲輻射品質常數影響程度較小，如圖2(c)和(d)所示，這可能是因為MAPE會降低塑料合金的熱變形溫度，易使共混組分產生一些不需要的交聯和降解，使鋪模后的部分材料反應不完全導致了細微的差異[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，振動效果相似。

綜合圖2來看，不同相容劑含量對木塑復合材料的聲阻抗值影響不大。當相容劑含量為7%時，木塑復合材料的對數衰減率最小，考慮此時木塑復合材料中木粉與塑料融合性最好，材質均勻，振動衰減慢，聲學效果好；在添加相容劑3%～9%過程中，木塑復合材料的比動彈性模量和聲輻射品質常數受相容劑含量影響差別不大，在相容劑含量為7%和9%時木塑復合材料的比動彈性模量較相容劑含量為3%和5%時數值高，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，獲得更好的比動彈性模量。而由于相容劑含量從3%增加至9%的4組實驗中，試樣密度值接近，聲輻射品質常數接近。所以在相容劑含量為7%，木塑復合材料有更低的對數衰減率，較高的比動彈性模量，可以獲得更好的聲學效果。

2.3 木塑復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

為探究木塑復合材料能否與傳統樂器用音板相比，選擇聲學性能較優的木粉含量65%，MAPE含量7%試件與劉鎮波[19]測定的美國西加云杉的數據進行對比。當木粉含量為65%、MAPE含量為7%和9%時，木塑復合材料的聲阻抗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，振動效率高。其中MAPE含量7%的木塑復合材料更接近美國西加云杉，音色效果更好。但木塑復合材料的比動彈性模量(3.56 GPa·cm3/g)低于美國西加云杉比動彈性模量(25.98 GPa·cm3/g)。通過實驗觀察，木塑復合材料密度遠高于樂器常用木材，這導致木塑復合材料的比動彈性模量低。比動彈性模量是決定樂器材振動與機械性能的重要參數[20]，后續研究應更加注重如何提高木塑復合材的比動彈性模量，降低木塑復合材料的密度。

2.3.2 與木質碳纖維復合材料、木質-玻璃纖維復合材料比較

與張元梓等[3]制備的木質碳纖維復合材料相比，木塑復合材料的對數衰減率均小于木質碳纖維復合材料。其中，MAPE含量占木粉含量7%時的對數衰減率最小為0.014，小于木質碳纖維復合材料的0.021。對數衰減率越低，振動衰減速度越慢，樂器聲音的余韻越飽滿。

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

3 結論

通過本研究可得出以下結論。

(1)木粉含量對木塑復合材料的聲學性能有一定的影響，綜合多個參數進行比較分析，當木粉含量為60%、70%和80%時，木材的聲學振動效果整體來看較弱，在木粉含量為65%時，木塑復合材料的聲學參數較優。

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

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