钢琴桦木贴面用的胶粘材料制备

韩璐娇

摘要：针对传统天然木材因天然缺陷和加工缺陷造成的声学振动性能不高，难以作为乐器板材使用的问题，提出桦木单板/玻璃纤维胶粘复合材料的制备。研究了工艺参数对本试验制作的复合材料声学振动性能的影响。具体结果为：当热压温度和压力分别为89 ℃和1.3 MPa，施胶量为180 g/m时，桦木单板玻璃纤维复合材料声学振动性能较为优异;该条件下的桦木复合材料比动弹性模量（E/ρ）、动弹性模量（E）与动态刚性模量（G）的比值 （E/G）分别为26.71 GPa、18.41。

关键词：桦木单板;玻璃纤维;声学振动性能;复合材料

中图分类号：TQ342 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0017-05

Preparation of adhesive material for piano birch veneer

HAN Lujiao

（Xianyang Normal University School of Music， Xianyang 712000， Shaanxi China）

Abstract：In view of the low acoustic vibration performance of traditional natural woods caused by natural defects and processing defects， they were difficult to be used as musical instrument board， therefore the preparation of birch veneer/glass fiber adhesive composite was proposed. The effects of process parameters on the acoustic vibration properties of the composites were studied. The specific results were as follows： when the hot pressing temperature and pressure are 89 ℃ and 1.3 MPa respectively and the sizing amount is 180 g/m， the acoustic vibration performance of birch veneer glass fiber composite is excellent. Birch composite material under this condition showed E/ρ and E/G  as 26.71 GPa  and 18.41 respectively.

Key words： birch veneer; glass fiber; acoustic vibration performance; compound material

樂器是传递娱乐文化的重要载体，对丰富人们的精神文化生活有不可或缺的作用。木质板材作为目前乐器构成材料中的重要组成部分，其声学振动性能直接决定了该乐器的发音效果。但天然木材因天然缺陷和加工缺陷的问题，造成其声学振动性能不高，进而影响乐器的声学品质，导致乐器在使用过程中，声调和响度都出现不可调和的问题。因此，提升乐器用木质板材的声学振动性能是提升乐器品质的有效途径。针对以上问题，国内很多学者也进行了多项研究，如以碳纤维为主要修饰材料，对木质音乐板材进行改性，探究了碳纤维修饰对其声学性能的影响。结果表明，碳纤维能有效提高音乐板材的声学振动性能和耐久性能。但碳纤维音乐板材的制作对人力成本的需求较大，在加工时，需要进行复杂的应力计算，因此，碳纤维音乐板材的成本较高，无

法广泛应用[1];又有学者尝试在文献[1]的研究基础上，将碳纤维替换为玻璃纤维，并研究了玻璃纤维布的铺放量对其声学性能的影响[2]。以上研究表明，通过纤维增强木质板材的方式能够有效提升音板的声学振动性能，其中制备工艺是影响音板声学振动性能的重点。但文献[2]的研究仅存在于玻璃纤维布的铺放层数，对其他制备工艺并未深入研究。本文在文献[2]的研究基础上，研究了热压温度、热压压力、施胶量对复合材料声学振动性能法的影响规律，其为木材声学性能替代用材的研究提供参考。

1材料与方法

1.1材料与设备

本试验主要材料：桦木单板（临沂市兰山区裕奥单板厂，厚度1.45～150 mm）;胶粘剂（上海把兄弟胶粘剂有限公司，E-44）;中碱玻璃纤维布（河间市胜启玻璃纤维制品厂，纤维直径5～20 μm）。

本试验主要设备：双通道快速傅里叶变换频谱分析仪（深圳市瑞安仪器设备有限公司，CF5220Z）。

1.2试验方法

1.2.1桦木单板/玻璃纤维复合材料制备

在桦木单板上按纹理放置玻璃纤维布，将3块桦木单板叠加作为中心层，分别在中心层上、下表面分别铺放一层玻璃纤维，然后在玻璃纤维表面继续铺放桦木单板，具体铺设方式如图1所示。

1.2.2单因素试验设计

通过单因素试验研究影响复合材料声学振动的工艺条件，具体设计方案如表1所示。

1.2.3响应面试验设计

选择Design-Expert为分析软件，Box-Behnken为原理[4]，响应指标为声学振动性能，探究复合材料最佳工艺参数。响应面试验设计因素和水平如表2所示。

1.3性能测试

1.3.1声学振动性能检测

使用横向振动法对桦木单板/玻璃纤维复合材料的声学振动性能进行检测。具体过程：对待测试件基频振动节点位置处进行标记，在待测试件支撑点放置泡沫三脚架，然后将传感器置于试件一端上方，放置时要注意传感器装置与试件无限接近，但不能贴近。用应力锤对试件空白端敲击，让其振动，振动信号经微音器扩大和过滤，到达傅里叶变换频谱分析仪中进行分析和处理，得到试件的对数衰减系数和五阶共振频率值[5]。在专业软件的分析下，计算复合材料的动弹性模量（E）、动态刚性模量（G）、比动弹性模量（E/ρ）等声学振动性能指标，每种指标重复测试3次，取其平均值为最后结果。复合材料声学振动性能装置如图2所示。

2结果与讨论

2.1单因素试验结果分析

2.1.1热压温度对复合材料声学振动性能影响

热压温度对复合材料声学振动性能的影响，结果如图3所示。由图3可知，复合材料的E/ρ、E/G随热压温度的增加表现出先增加后减小的趋势，复合材料声学振动性能受热压温度影响较大。这是环氧树脂胶粘剂热固特性引起的。当热压温度过低，达不到环氧树脂胶粘剂固化温度，此时环氧树脂胶粘剂无法固化完全，影响弹性模量。当热压温度过高时，桦木表面被热分解，出现木材纤维素大分子分解和木材炭化现象，降低了复合材料的力学性能。

2.1.2热压压力对复合材料声学振动性能的影响声学振动性能受热压压力影响，结果如图4所示。

由图4可知，热压压力对声学振动的影响与热压温度的影响基本一致。当热压压力为1.4 MPa时，E/ρ在压力1.4 MPa时出现最优值;E/G在压力为1.2 MPa时出现最优值。在施加热压压力时，板間和胶间传递能力皆受单位压力的影响，且桦木单板具备较为疏松的结构，在施加热压压力时，胶粘剂在单板内部填充，增加了桦木单板与玻璃纤维的粘接强度，进一步增强了复合材料的弹性模量与力学性能。但本试验在进行的过程中，不对厚度进行设定，因此随单位压力的增加，复合材料厚度明显降低，密度明显增加，这对复合材料声学振动性能的提高产生不利影响[7]。当热压压力超过单板抗压强度，木材材质出现问题，降低了复合材料声学振动性能。

2.1.3施胶量对复合材料声学振动性能的影响施胶量对复合材料声学振动性能的影响，结果如图5所示。

由图5可知，复合材料的E/ρ、E/G，随施胶量增加的变化趋势与热压压力变化趋势基本一致。当施胶量较少，复合材料缺胶，出现断层的情况，使桦木单板与玻璃纤维间粘接不紧密，胶粘剂渗透不完全，降低了复合材料弹性模量[8]。施胶量较多，增加了胶层厚度，削弱了粘接程度，密度明显增加，此时不利于复合材料的声学振动发展。

2.2响应面试验结果

表3为响应面设计试验结果;表4为Design-Expert软件对表3的分析结果[9-10]。

2.3复合材料制备工艺参数优选

在试验因子的试验范围内，假定弹性模量、剪切模量和泊松比均处于最大值。通过Design-Expert软件对试验因素综合优化后的最佳工艺参数：热压温度为9.19 ℃，热压压力为1.27 MPa，施胶量为180 g/m。考虑工艺实际取值，调整工艺为热压温度89 ℃，热压压力1.27 MPa，施胶量180 g/m;优化后验证试验结果如表5所示。

由表5可知，复合材料预测值与实测值差别不大，证实回归方程与实际情况拟合度较高，具有较高的可靠度和准确度。

3结语

（1）通过单因素试验确定工艺因子范围：热压温度90～100 ℃，热压压力0.8～1.4 MPa，施胶量180～200 g/m;

（2）用响应面分析法建立声学振动回归方程，继续优化制备工艺，优化后工艺因子参数：热压温度89.19 ℃，热压压力1.27 MPa，施胶量180 g/m;

（3）利用Design-Expert软件对各试验综合优化后的最佳工艺因子参数：热压温度89 ℃，热压压力1.3 MPa，施胶量180 g/m;测试值和预测值基本一致，方程和实际情况拟合度高。

【参考文献】

[1]张元梓，刘乾，高源，等.木质-碳纤维复合材料的制备工艺[J].东北林业大学学报，2019，47（10）：90-95.

[2]林斌，苗媛媛，李瑞，等.桦木单板/玻璃纤维复合材料声学振动性能的研究[J].北京林业大学学报，2019，41（1）：126-133.

[3]孙海燕，苏明垒，吕建雄，等.细胞壁微纤丝角和结晶区对木材物理力学性能影响研究进展[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2019，47（5）：50-58.

[4]陶鑫，韩佳彤，徐伟，等.云杉材纹理角度对钢琴音板声学振动性能的影响[J].木材工业，2019，33（4）：14-17.

[5]贺舒.基于人工林杉木热处理的古琴面板声学性能优化分析[J].粘接，2019，40（8）：101-104.

[6]刘美宏，彭立民，吕少一，等.乐器用木材声学振动性能改良研究的进展[J].木材工业，2020，34（2）：29-33.

[7]余德倩，赵晨鹏，翟胜丞，等.吸湿循环处理对常用乐器用材声学振动性能的影响[J/OL].林业工程学报：1-7[2021-08-05].

[8]江泽慧，邓丽萍，宋荣臻，等.木竹材声学振动特性研究进展[J].世界林业研究，2021，34（2）：1-7.

[9]李哲锋，多化琼，青龙.电声乐器中木材声学振动性能对音响特性的影响[J].林业工程学报，2018，3（3）：18-23.

[10]陈振兴，周永东，周凡，等.钢琴制造对木质材料及生产加工的要求[J].木材科学与技术，2021，35（3）：6-11.