玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料的制备与性能

赵心一, 吕丽华, 魏春艳, 崔永珠

玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料的制备与性能

赵心一, 吕丽华, 魏春艳, 崔永珠

(大连工业大学纺织材料与工程学院,辽宁大连 116034)

将玉米皮经脱胶处理获得玉米皮纤维,再将玉米皮纤维与聚乳酸复合制备力学性能优良的纤维板,并设计加工出具有吸声功能的狭缝共振结构组合形成玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料。采用SW422/SW477阻抗管运,用传递函数法测试了玉米皮纤维/聚乳酸复合材料的吸声性能。分析了在穿缝板上所贴合麻毡的层数、材料与刚性壁之间的空气层厚度及穿缝板的穿缝率对吸声系数的影响。结果表明,2 mm厚的穿缝板,穿缝率为7%,添加1层3 mm的麻毡及留有2层共1 cm空气层时,材料吸声性能最好,在频率为1 600 Hz时吸声系数可达到0.95。

玉米皮纤维;聚乳酸;吸声材料;微缝板;纤维板

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0 引 言

我国是一个农业大国,玉米产量较大,玉米的农作物废弃物较多,对其再利用率较低。研究发现[1],包裹玉米棒的玉米皮具有较好的力学性能,若对其进行合理开发利用,不仅可以减少焚烧等带来的环境污染,还可以解决资源匮乏所带的能源问题,符合我国的可持续发展战略[2-4]。

随着工业化和现代化步伐的加快,噪声污染变得越来越严重。噪声对人们的听力、睡眠、生理、心理等方面能造成很大影响和危害[5]。此外,随着生活水平的提高,人们对声学环境的要求越来越高。因此,对吸声材料的需求呈迅猛增长之势的同时也对吸声材料的性能提出了更严格的要求,即吸声材料必须实现从过去单一吸声功能向高吸声性、装饰性、经济性和环保性等多功能转变[6]。

近年来,对于复合材料的吸声结构与理论方面的研究重点集中在微穿孔板方面,而对于微缝板的文献报道很少[7-8]。《微穿孔板吸声结构的理论和设计》[9]一文的发表,标志着这一独创理论的诞生。马大猷[10]对穿孔板及穿孔板结构的特性做了进一步的分析,给出了计算其结构参数的方法。FRETZSCHNER等[11]提出了一种替代传统微穿孔板的设计方法,即制备出厚度在毫米级的微穿孔板。苑改红等[12]通过测试穿孔板结构的吸声系数,得出吸声薄层的加入及板后空腔的设计,使得穿孔吸声板具有较宽的吸声频带。左言言等[13]对穿孔板吸声结构的声学特性进行了理论分析与计算。卢伟健等[14]在马大猷的理论基础上,分析了变截面微穿孔板的吸声特性,并利用传递函数法,通过阻抗管进行了试验。盛胜我[15]对穿孔板背面紧贴吸声薄层时的声学特性进行了理论分析与计算,得出当穿孔板背后紧贴吸声薄层后,由于穿孔末端增加的附加声阻,显著提高了穿孔板的吸声效果,同时拓宽吸声频带宽度。这些研究对吸音材料的进步具有重要的作用。

本试验以玉米皮为原料,从中提取出玉米皮纤维,再将玉米皮纤维和聚乳酸复合,制备具有优良力学性质同时价廉质轻环境相容性好的纤维板,并在纤维板上加工出狭缝结构,同时添加麻毡和空气层,进而获得具有狭缝共振吸声结构的玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料,并对其吸声性能进行表征与分析。

1 试 验

1.1材料与仪器

玉米皮,吉林省白城市;氢氧化钠、尿素、过氧化氢、脱模剂,天津市科密欧化学试剂有限公司;聚乳酸颗粒(PLA),深圳易生材料有限公司;麻毡,实验室制备。

SJK-160开放式塑炼机,武汉怡扬机械有限公司;MN压力成型机,江苏无锡市中凯橡胶机械有限公司;ZHY-W万能制样机,承德建德检测仪器有限公司;SW422/SW477阻抗管吸声隔音测试系统,北京声望声电技术有限公司。

1.2玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料的制备

1.2.1 玉米皮纤维的制备

工艺流程:原料准备→预尿氧预处理→水洗→碱煮→热水洗→冷水洗→烘干[16]。

预尿氧预处理工艺参数:浴比1∶15、温度30℃、尿素质量浓度6 g/L、过氧化氢质量浓度8 g/L、时间40 min。

碱煮工艺参数:浴比1∶15、温度100℃、氢氧化钠质量分数2%、时间30 min。

1.2.2 玉米皮纤维/聚乳酸复合材料的制备与性能表征

工艺流程:原料混合→共混塑炼→涂刷脱膜剂→热压机预热→恒温加压→冷却定型→脱膜→纤维板。

工艺参数:玉米皮纤维质量分数为50%,纤维长度10 mm,热压时间6 min,热压温度170℃。

玉米皮纤维/聚乳酸复合材料力学性能:拉伸强度69.35 MPa;弯曲强度90.28 MPa;冲击强度18.4 kJ/m2。

1.2.3 穿缝板的制备

利用MHY-W型万能制样机在厚度为2 mm的玉米皮纤维/聚乳酸复合材料上开3 mm的微缝,穿缝率分别为3%,5%,7%。加工完成后对穿缝板进行表面处理,除去残渣。

1.2.4 玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料的制备

在穿缝板上涂敷黏合剂与麻毡黏合,制备吸声复合材料。在安装吸声复合材料时与被接触物体之间留有一定距离形成空腔,形成空气层。

1.3吸声性能测试

采用驻波管法[17-18],按照GB J85—1985《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》检测玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料的吸声系数,检测设备采用SW422/SW477阻抗管。应用传递函数法测量吸声系数[19]。

实验方法:将所要测量的吸声试样按照测试仪器的截面标准,剪成直径为100 mm的圆形试样,然后将试样紧密地贴实于驻波管安放试样端,试样背后尽量不留空气层,保证试样与管壁接触处无缝隙。频谱分析分辨率RTA采用1/3倍频程,相同声源和相同接收系统下,通过调试探测器测量频率范围为80～6 300 Hz下的声压p1和p2,从而计算得各试样的吸声系数。

2 结果与讨论

2.14种不同结构材料的吸声系能对比

根据实验要求,制备4种不同结构材料。分别为玉米皮纤维/聚乳酸纤维板(以下统称纤维板)(材料(1)),纤维板+麻毡复合吸声结构(材料(2)),纤维板+麻毡+空气层复合吸声结构(材料(3)),穿缝板+麻毡+空气层共振吸声结构(材料(4))。分别对其吸声性能进行测试,得到4种结构的吸声系数曲线,如图1所示。

由图1可知,材料(1)在所测试频率范围内的吸声系数很低,吸声性能不好;材料(2)由于添加纤维类吸声层,使其具有了一定多孔吸声材料的属性,因而吸声性能得到一定的改善。材料(3)吸声性能在低频范围内,由于麻毡和空气层的共同作用得到了明显的改善,但吸声频带较窄。在高频范围为内,由于频率远离了组合结构材料的共振频率,吸声性能反而有所降低。材料(4)由于添加狭缝形成狭缝共振结构,克服在低频区吸声性能差的缺点,在低频区取得良好吸声效果且吸声频带较宽。

图1 4种结构的吸声系数曲线Fig.1 Absorption coefficient curve of the four different structures combinations

2.2正交试验

采用L9(33)正交表,通过正交试验考察了穿缝率、麻毡层数、空气层厚度3个因素对玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料吸声性能的影响。每个因素选取3个水平,因素水平表如表1所示,正交试验所测得的试验结果如表2所示。由表2可知,在不同的频率范围下,不同穿缝率试样的吸声系数不同,即试样的穿缝率越大,中低频吸声性能越好,而高频吸声性能越差。因为随着材料穿缝率的增大,由于声波较容易进入材料内部,声波进入微孔后,引起纤维对媒质(空气)的相对运动摩擦损耗掉一部分声能,空气与孔壁间的黏滞损耗也加强,明显提高吸声系数。同时,随着空气层厚度的不断增加,吸声系数峰值不断向低频方向移动。原因可能是穿缝板与空气层所组合成的狭缝共振吸声结构对声波的吸收与共振频率密切相关。当两者相近时,会明显吸收声波。吸声结构的共振频率随添加空气层的厚度增加而降低,从而导致在与共振频率相近的低频区吸声结构材料有良好的吸声性能,而远离共振频率时吸声结构材料吸声性能较差。

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

表2 正交试验下不同频率吸声复合材料的吸声系数Tab.2 Sound absorption coefficient of different sound-absorbing composite frequencies in orthogonal experiment

由表2还可以看出,吸声复合材料在中低频的吸声效果较好,吸声系数峰值几乎出现在1 600 Hz范围内,所以选取1 600 Hz频率下吸声系数进行数据分析。其极差分析结果如表3所示。由表3可知,影响玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料吸声系数的显著因素顺序为:空气层厚度,麻毡层数,穿缝率。空气层厚度对试样的吸声系数影响最大,试样背后增加空气层厚度可显著提高材料的中低频时的吸声系数。麻毡层数对吸声性能的影响也很大,添加麻毡即等于增加吸声材料的整体厚度,材料吸声系数峰值向低频方向移动,低频吸声系数将有所增大,但对高频的影响很小。综合考虑:穿缝率为7%,1层3 mm的麻毡和2层共1 cm的空气层,此时,玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料的吸声系数较高,在1 600 Hz时的吸声系数为0.95,吸声性能较好。

表3 1 600 Hz下吸声复合材料吸声系数的极差分析Tab.3 Range analysis of absorption coefficient of sound absorption composite at 1 600 Hz

3 结 论

通过对比分析几种不同的结构材料,穿缝板+麻毡+空腔的材料吸声系数最大,即添加狭缝共振吸声结构和纤维类吸声层组合成的玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料的吸声效果最好;通过正交试验和极差分析得出:穿缝率为7%,添加1层3 mm的麻毡和留有1 cm厚的空气层时吸声复合材料具有最好的吸声效果,在1 600 Hz时的吸声系数为0.95,且影响玉米皮纤维/聚乳酸吸声复合材料吸声系数大小因素的显著顺序为:空气层厚度、麻毡层数、穿缝率。

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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

文章编号:1674-1404(2015)05-0366-04

2014-04-23.

辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(LJQ2012047).

赵心一(1991-),女,硕士研究生;通信作者:吕丽华(1978-),女,副教授.