木塑复合材料吸声性能的研究现状

朱晓冬，王梦蝶，黄金鑫，李鹏，张博，文睿，刘玉

(东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040)

木塑复合材料吸声性能的研究现状

朱晓冬，王梦蝶，黄金鑫，李鹏，张博，文睿，刘玉*

(东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040)

木塑复合材料作为一种新型材料，由于其独特的装饰性能已广泛应用于室内外装饰材料中，开发其声学方面性能是目前室内装饰材料的重要研究方向,具有广阔的发展前景。笔者结合多孔吸声机理与共振吸声机理特性，阐述了吸声材料在吸声结构设计及吸声性能增强等方面的研究进展，重点分析了木塑吸声材料的结构特性与吸声性能。通过归纳分析其他木质复合吸声材料研究成果，提出了在实际使用中改善与提高木塑复合材料吸声性能的几种方法(如发泡法、预留空腔法、蜂窝结构复合法、黏附装饰层法、叠加设计法等)。采用驻波管方法测试木塑吸音板在不同穿孔率与空腔深度的吸声系数，结果表明：在穿孔率为0%和3%的条件下，吸声系数随着空腔深度的增加先上升随后下降；在穿孔率为6%和9%的条件下，吸声系数随着空腔深度的增加而增加。通过以上方法，可以最大限度地增强木塑吸音材料的全频吸声性能，为木塑复合吸声材料在室内设计中的应用提供理论基础。

木塑复合材料；木质吸声材料；声学性能；空腔填充法；吸声系数

随着社会的发展与科技的不断进步，人们对生活、学习、工作所处环境声音的要求越来越高，噪音对人们的影响与危害越来越受到重视。目前降低噪声的主要方法是通过利用吸声或隔声材料进行控制[1]。吸声是指声波入射材料时，材料可以吸收声波，由材料表面与内部把声能转化成热能进行消耗掉的过程[2]。平常所见的材料都具有一定的吸声性，工程计算中常用6个频率(125，250，500，1 000，2 000和4 000 Hz)的吸声系数平均值来表示某种材料的平均吸声系数，平均吸声系数大于0.2的称之为吸声材料[3]。吸声材料按照吸声机理，可分为共振吸声与多孔吸声材料两大类；按吸声材料频率选择的特性，又可分为低频、中频和高频3类吸声材料。多孔性吸声材料多以吸收中频与高频为主，共振材料结构以吸收低频为主[4]。

与不断增长的社会需求相比，目前常见的各种吸声材料在所处环境中的耐用性、阻燃性、防潮性、耐腐蚀、防虫蛀等方面存在诸多不足。如果吸声材料要实现吸音、装饰、经济、环保等多方面功能，就需要开发新型材料、研制新构造、创造新工艺，这已经成为未来环保吸声材料发展的趋势。木质复合吸声材料是在木质纤维及其他非木质材料的基础上，与其他材料进行复合或重组，使其具备一定的吸声性能。Yang等[5]研究了稻秆-锯末复合吸音建筑材料，并测试其吸声系数，结果表明这种复合材料与纤维板和胶合板的吸声性能相比，频率在500～8 000 Hz时吸声性能最佳；王军锋等[6]利用木质纤维和聚酯纤维，结合热压和聚合物发泡技术，制备出木纤维、聚酯纤维复合吸声材料，使其具备吸声性能；张宏等[7]采用竹质废料所加工的竹刨花与其他物理吸附材料制备了竹刨花基复合材料，得出竹刨花与活性炭复合而成的材料，该材料具有良好的吸声性能；Faustino等[8]研究了玉米棒刨花板隔音技术，将玉米棒刨花与木材专用胶黏剂按1∶4的比例混合制备，并将其黏附在发出声响房间的地板上，就可获得隔音效果。

木塑复合材料(wood-plastic composite, WPC)是一种将木纤维或植物纤维与聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等通过热压挤出或注塑的方法进行填充改性的新型复合材料，使其兼备了木材与塑料各自的优良性能，同时其原材料来源丰富、价格低廉，材料自身可重复回收利用，在保护森林资源、减少环境污染方面具有良好的社会和生态效益，是一种新型的绿色环保材料[9]。木塑复合材作为新型材料受到人们的广泛关注，符合现代人们对吸音板材的需求。笔者拟通过梳理国内外相关木塑吸音材料的结构性能与吸声性能之间的关系，提出在实践中改善与提高木塑复合材料吸声性能的方法，旨在最大限度地增强木塑吸音材料的全频吸声性能，使之能广泛应用于各种室内环境中，为木塑吸音板材的进一步发展提供参考。

1 吸声机理

1.1 多孔吸声机理

多孔性吸声材料的吸声原理在于材料内部拥有大量孔隙，孔隙之间相互贯通，透气性较好[10]。根据惠更斯原理，当声波入射多孔材料表面时，一部分声波会被材料表面反射，一部分会被吸收入射到材料内部孔隙中，进入到材料内部的声波会引起内部孔隙空气的振动与摩擦[11]。当声波遇到刚性材料时，一部分会被透射到空气中，一部分则会被再次吸收，被吸收的声波经过入射与反射，产生黏滞力运动，使声能不断进行消耗并转化为热能，从而达到吸声的作用[12]。

常见的多孔吸声材料主要分为有机多孔吸声材料(棉、麻、木丝板、棕丝等)、无机多孔吸声材料(玻璃棉、岩棉、矿渣棉等)、泡沫多孔材料(聚氨酯、聚乙烯氨基甲酸酯等)、金属多孔吸声材料(铝纤维、不锈钢丝网等)几类，一般多孔吸声材料在高频吸声性能较好，低频吸声性能较差[13]。Glé等[14]在研究了麻纤维植物颗粒、黏结剂与水混合制备的麻纤维混凝土复合材料的孔隙度与声学特性的关系，结果表明这种复合材料的吸声特性主要是因为黏结剂中的小孔与植物颗粒的成分构成了材料的高孔隙度。余海燕[15]采用水泥-木梗纤维进行复合，得出该材料的声学性能受到木梗纤维不同结构的影响，从而建立了水泥-木梗纤维复合吸声材料声传播及吸收的模型数据；Fouladi等[16]研究了椰壳纤维材料的吸声性能，测试其吸声系数，结果表明，天然椰壳纤维的吸声系数可以达到0.8，但与胶黏剂混合后制备的椰壳纤维复合材料吸声系数降低；Ekici等[17]研究了添加茶叶纤维以提高聚氨酯泡沫材料的吸声特性，测试添加茶叶纤维后复合材料的吸声特性，结果表明添加厚度为1 cm茶叶纤维的复合材料吸声特性具有较好的吸音性能。

1.2 共振吸声机理

共振吸声材料与多孔吸声材料声能转化原理是相同的，两者都是通过黏滞性摩擦把声能转化成热能消耗以达到吸声的目的。共振吸声结构也被称为赫姆霍兹共鸣器式结构，主要有薄板共振结构和穿孔板共振结构，共振吸声结构主要应用为穿孔板材料，一般穿孔率为1%～5%，材料外部空间通过颈口与内部腔体相连[18]。当材料遇到入射的声波时，声波引起孔径中空气的运动，与材料进行往复摩擦，逐渐使声能转化为热能进行消耗[19]。如果要让共振吸声材料具有最佳的吸声系数，就可让入射的声波频率与共振器固有频率保持一致，产生共振，此时共振结构的吸声性最优[20]。如果入射的声波频率偏离共振结构的频率，其吸声性能就会降低。一般共振吸声材料的低频吸声性能会优于其高频的吸声性。为了弥补高频吸声性能的不足，一般在对共振材料进行穿孔的同时，在其背板空腔中填充多孔的吸声材料。

黄景达[21]利用刨花与棕丝制备了低密度的刨花-棕丝复合吸声板，研究不同护面处理和板面结构设计对吸声性能的影响；隋仲义等[22]研究了竹木复合材料(竹材作表面，杨木作基材)在不同结构与厚度下的吸声性能，结果表明竹木复合材料厚度在25 mm左右时低频吸声系数最佳，厚度在50 mm左右时高频吸声系数最佳；Yang等[23]研究了天然纤维复合材料吸声性能，通过热压制备苎麻、亚麻、黄麻3种材料纤维增强的环氧复合材料，得出3种材料的多层次复合空腔结构在高频时具有更好的吸声性能；赵心一等[24]将玉米皮纤维与聚乳酸复合设计，加工出玉米皮纤维/聚乳酸复合吸声材料的共振吸声结构，分析了材料背后空气层与穿缝板的穿缝率对材料吸声系数的影响。

2 木塑复合材料的声学性能

市场上木塑吸音板一般采用表面冲钻小孔，背面粘贴吸音薄毡的方式制备。笔者采用思成·声易达声学仿真模拟软件，对比现在市面上常见的木质吸声材料(如槽木板、孔木板、甘蔗板、木丝板、水泥刨花板等)的吸音性能，结果如图1所示。

图1中的木塑吸音板采用市面上普通的15 mm音普特T21阻燃木吸音板的吸声系数，图中所示表明，木塑吸音板与其他木质吸音板相比，在相似条件下250725 Hz频率段吸声系数优于其他木质吸音板，高于725 Hz频率时吸声系数开始下降，吸声性能低于其他木质吸音材料。15 mm 音普特T21阻燃木吸音板的平均吸声系数在0.5左右，在共振频率上具有较好的吸声系数。

图1 常见木质吸音材料的吸声系数Fig. 1 Sound absorption coefficients of commonwooden sound-absorbing materials

2.1 木塑吸音材料的结构性能

王心潮[25]设计发明的带有微孔、尖劈、型腔、插槽结构的木塑吸音板材，由具有微孔结构的发泡材料制成，并设有若干间隔支撑部的基材底部、若干尖劈结构的基材顶部、带插槽的基材侧部和与插槽对应的插接端在基材侧部另一端，从而解决了木塑吸音板材装饰性差、生产成本高、强度低、施工复杂的现状。黄金鑫[26]设计发明的一种木塑复合多功能吸音板材，包括PVC木塑发泡板材、薄木单板贴面装饰层、软木贴面吸音层，并在板材上设有圆台形吸音孔，木塑基材背面设有弧形凹槽。该专利使木塑复合板材兼具吸音性能、力学性能和装饰性等功能。陈霖[27]设计发明的木塑复合吸音型材有吸音孔、吸音棉、插接端凹槽固定结构，此种板材成本较低、环保阻燃、美观耐用，而且吸音效果良好。另外，由于插接端、凹槽和固定端的设置，安装非常方便。孟玉洁等[28]就木塑复合材在中低频吸声性能不佳的情况进行了研究，结果表明，针对木塑复合材料与空气层构成的空气弹簧系统，在木塑复合材背后留有一定的空腔与空气层距离，可有效提高木塑复合材低频段的吸声性能。

2.2 木塑吸音材料的声学性能

魏亚兵等[29]研究了不同含量的木粉、偶联剂、硫酸钡制备的木塑复合材料的隔声性能。结果表明：在相近面密度条件下，木粉的目数与含量主要对频率高于125 Hz的隔声量产生影响，加入偶联剂的隔声影响不明显；在加入硫酸钡、降低材料厚度和面密度相近基础上，相同配方的PVC塑料板材，木塑复合板材在频率高于2 000 Hz的隔声性能更佳。

霍成等[30]研究的不同贴面材料对PVC发泡木塑地板吸声性能的影响，通过热压工艺在木塑地板表面与背面贴覆不同材料，用驻波管法测试其吸声系数，结果表明，PVC木塑发泡地板在低频范围内具有一定的吸声系数，在其表面与背面贴覆不同材料都会提升木塑地板的低频吸声性能。

Li等[31]基于质量定律和声音散射理论，采用数值分析法对填充沉淀碳酸钙的木塑复合材料绝缘层内的声音传导进行研究，并建立物理模型分析含有不同沉淀碳酸钙质量比的木塑复合材料的传声损失，推导出了相应的传声损失方程。结果表明，木塑复合材料的传声损失随着声音频率和沉淀碳酸钙质量比的提高而增加，但在低频范围内效果不明显。

木塑复合材料就本身材料性能而言，并没有优良的吸声性能，但是如何增强木塑制品的吸声性能，可以参考木质吸声材料与其他种类的吸声材料的复合性，最大限度地增强木塑复合材料的吸声性能，是木塑吸音材料的研究方向。根据木塑制品的特性与需求，针对性地设计制造木塑吸音材料将是未来的发展趋势。

3 木塑吸声材料提高吸声性能的方法

如上所述，木塑复合材料的吸声性能与其他木质复合材料的吸声性能相比，在低频具有优异性，但高频吸声性能方面较差，因此如何在实际工程装饰中改善与提高木塑复合材料的高频吸声性能对其推广应用具有重要意义。通过归纳分析其他木质复合吸声材料的研究成果，增强木塑复合材料吸声性能可以采用发泡法、预留空腔法、蜂窝结构复合法、黏附装饰层法、叠加设计等方法，在提升木塑复合材料的吸声效果的同时能进一步提高其附加价值。

3.1 发泡法

发泡法是指通过物理或化学变化的方法，在原材料中加入无机或有机发泡剂，使其内部产生一定的气泡孔。在木塑复合材料中通过加入发泡剂，制备得到的木塑复合材料，其优点是降低了材料的密度，减少了生产成本，并可以在材料内部产生一定的密闭气孔，同时可控制其形状、成分、密度，在一定程度上可以改善材料的抗冲击性能和韧性，使木塑复合材料的使用范围更广。其不足之处是发泡剂的成分、不同含量的配比、发泡剂添加的顺序对木塑复合材料物理性能会产生影响，在生产工艺上需要进行大量的实验研究，才能制备出物理性能与吸声性能兼备的发泡木塑复合吸声材料[32]。

3.2 预留空腔填充法

空腔填充法主要是在木塑吸音板进行安装时，在木塑板材的后面留有一定的空腔，一般预留长度大于30 cm，留有空腔可以使声音透射过木塑吸音板后，经过声波与刚性材质的反射与吸收，消耗其入射的大部分声能，从而达到吸收低频声波的目的。笔者采用驻波管法测试木塑吸音板在不同穿孔率与空腔深度的吸声系数，结果如表1所示。在穿孔率为0%和3%的条件下，吸声系数随着空腔的深度的增加先上升，随后下降。在穿孔率为6%和9%的条件下，吸声系数随着空腔的深度的增加而提高。

表1 木塑吸音板不同穿孔率及空腔深度的吸声系数Table 1 The sound absorption coefficients of woodpanels of different perforation rates and cavity depth

在木塑吸音板后面空腔中还可以填充与黏附一定的高频吸声材料，例如无机吸声材料(玻璃棉、岩棉、矿渣棉等)，利用木塑复合材料与无机吸声材料的复合制备，实现木塑复合材料全频吸声的性能。空腔填充法中填充的无机纤维材料的种类对木塑复合吸音板吸声性能的影响还需要进行下一步的研究。

3.3 蜂窝结构复合法

蜂窝结构具有质量轻、易安装、减震、降噪等优异性能。将蜂窝结构置于木塑复合板材的背面形成一种复合结构，使板材背后的空腔或填充材料分割成无数封闭的子空间，利用蜂窝结构的特性增强声波的约束与反射作用，形成类似于赫姆霍兹共振腔的吸声结构，使得入射的声波在子空间中相互反射产生声学驻波的现象,从而使声波的共振频率增大转化为热能消耗。这种复合结构能够提高木塑复合材料在低频段的吸声性能，从而提升木塑复合结构的整体吸声性能。

3.4 黏附装饰层、吸音棉

基于木塑复合板材的素板，从装饰美观性出发，在其表面覆盖一层贴面材料，如市面常见的薄木单板、软木、浸渍纸等，因为贴面材料在一定程度上具有一定的吸音性，在声波入射木塑复合材料时在表面消耗掉一部分声能，从而提高其低频的吸声性能。在木塑板材的背面粘贴吸音棉可以增加木塑在高频段声波的吸声系数，更大程度地提升木塑吸音板的吸声性能。

3.5 叠加设计

将孔隙率大的软木材料与木塑复合材料进行叠加组合，改善其结构设计，增强木塑复合材料,在全频段的吸声性能。由于软木材质的孔隙率较大，其吸声频率的范围为中、高频段，对其进行结构设计，叠加在木塑复合板材的前面，则可提高木塑复合材料在高频段的吸声性能，在实际应用中两种材料要进行优化与有效利用。

4 展 望

对于各种具有声学特性木质复合材料的研究表明，在吸声、装饰、环保、实用、特定环境方面都存在一定的不足之处,如多孔性与复合型的木质复合材料虽然具有较好的吸声降噪特性，其应用范围在物理性能上受到力学强度的限制。木塑复合材料作为环保、实用、装饰、经济性兼备的新型材料，在吸声性能方面逐渐得到重视，木塑复合材料的优良特性及应用范围可以满足特定空间吸声降噪的要求，相对于已经成型的木质复合吸声材料，木塑复合吸声材料应该扩大其应用范围。

首先，在吸声材料方面，充分利用多孔吸声机理，在木塑复合材料的原料配比上进行改进，使其达到内部孔隙的相互贯通，提高其吸声性能。与此同时，可以通过仿效市面上常见的木质穿孔吸音板的制备方法，对木塑复合材料进行开孔与开槽的结构设计。主要是以木塑复合材料为基材，在其表面与背面进行开孔，从而得到开孔的共振吸音材料，表面开孔的形状可以是圆形、条形、微孔形等，通过调节孔径的大小、疏密程度和形状以调节木塑复合吸音板的吸声性能。背面开槽的方法主要是在木塑板材的背面进行开槽，开槽的类型主要有弧形槽、梯形槽、方形槽等类型。开孔法可拓宽木塑复合材料的吸音频段，提高其中高频段的吸声性能，增强木塑板材的装饰性与吸声性，但是产品的性能和工艺方面有待改进和提高，在结构上进行孔槽型的研发，使其一次性成型，避免多次加工，使其具有最佳的吸声性能。

其次，木塑复合材料作为已成体系的新型材料，最广泛的应用是作为室外产品。通过对木塑复合吸声材料进行新工艺的改进、新技术的研发以及新结构的运用，研发出更多的适合室内使用的产品，比如具有吸声性能的地板、壁板、装饰板、天花、门窗、家具、卫浴等系列产品。除了传统产业的运用外，也可以运用在一些其他的产业上，比如汽车的内部配件，如汽车门护板、门饰板、后备箱等内饰。今后木塑复合吸声材料的发展可以走产品生产规模化、复合多样化、吸声全频性、结构新型化、实用多样化、应用领域广的发展道路，这将是木塑复合吸声材料的研究重点。

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Research progress of sound absorption propertiesof wood-plastic composites

ZHU Xiaodong, WANG Mengdie, HUANG Jinxin, LI Peng, ZHANG Bo, WEN Rui, LIU Yu*

(College of Material Science and Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040，China)

As a new type of material, wood-plastic composite was widely used for interior and exterior decoration due to its unique decorative performance. The development of its acoustic performance is an important research area for interior decoration materials because the better acoustic performance could promote its application. Through introducing the porous sound-absorption principle and vibratory sound-absorption principle of sound-absorption materials, this paper expounded the research progress of the wood-plastic composite in the aspects of type, design of sound-absorption structure and enhancement methods of sound-absorption. The acoustic performance of the wood-plastic composite was especially analyzed. The research progresses of the structure and sound-absorption performance were presented. Under the similar conditions, the sound absorption coefficient of the wood-plastic composite was higher than that of other wooden sound-absorbing materials at the frequency from 250 Hz to 725 Hz and its sound absorption coefficient was lower than other wood sound-absorbing materials when the frequency was higher than 725 Hz. It can be concluded that the wood-plastic composite had a good sound absorption performance at the resonant frequency. To enhance the frequency sound absorption properties of wood plastic sound-absorbing materials, the practical methods for improving and enhancing the sound-absorption performance of the wood-plastic composite were introduced (e.g, the methods of foaming, reservation cavity, honeycomb composite structure, pasting the decorative layer, superimposing the design). The absorption coefficients of different perforation rates and cavity depth of PVC wood plastic panels were tested by the standing wave tube method. The results showed that the sound absorption coefficient increased firstly and then decreased with the increase of the depth of the cavity when the perforation was of 0% and 3%. The sound absorption coefficient increased with the depth of the cavity when the perforation rates were 6% and 9%. By using the above-described method, the frequency sound absorption properties of the wood plastic sound-absorbing material can be enhanced. The results of the study can provide theoretical foundation for the application of the wood plastic composite sound-absorbing material in the interior designs.

wood-plastic composite; wooden sound absorbing materials; acoustic property; cavity filling method; sound absorption coefficient

2016-01-02

2016-10-30

林业科学技术推广项目([ 2015 ] 11 号)；教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-13-0711)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572016EBJ1);东北林业大学大学生创新训练项目(CL201531)。

朱晓冬，男，博士后，副教授，研究方向为设计与材料研究。通信作者：刘玉，女，副教授。E-mail:liuyu820524@126.com

TS653；S781

A

2096-1359(2017)03-0010-06