周 勇, 孫筱辰, 張興衛(wèi), 周怡安, 郭云力, 賈玉璽

(1. 山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 濟(jì)南 250061； 2. 山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250102；3. 濟(jì)南西城實(shí)驗(yàn)中學(xué)教研組, 濟(jì)南 250118)

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非織造黃麻纖維復(fù)合材料的制備與吸聲性能研究*

周 勇1, 孫筱辰2, 張興衛(wèi)3, 周怡安1, 郭云力1, 賈玉璽1

(1. 山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 濟(jì)南 250061； 2. 山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250102；3. 濟(jì)南西城實(shí)驗(yàn)中學(xué)教研組, 濟(jì)南 250118)

以黃麻纖維、皮芯結(jié)構(gòu)的4080聚酯纖維等為原料，借鑒非織造技術(shù)，采用宜于連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)的熱粘合預(yù)定型以及熱壓成型技術(shù)，制備了一種綠色環(huán)保、可生物降解的混雜纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。綜合考慮原料來源及成本等因素，根據(jù)結(jié)構(gòu)件組織形貌和拉伸、撕裂性能，優(yōu)選了材料配方；采用控制變量法，分別探索成型溫度、壓力以及保溫時(shí)間對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件拉伸性能的影響，優(yōu)選了成型參數(shù)。在此基礎(chǔ)上通過阻抗管采用傳遞函數(shù)法，進(jìn)行吸音性能測試，結(jié)果表明該類復(fù)合材料在吸音降噪方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，特別適于做汽車內(nèi)飾件。最后分析了其吸聲機(jī)理。

黃麻纖維；合成纖維；吸聲性能；內(nèi)飾件

0 引 言

隨著社會環(huán)保意識的崛起，來源廣、質(zhì)輕價(jià)廉、綠色環(huán)保并且可自然降解的麻纖維復(fù)合材料在汽車等多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用受到人們越來越多的重視[1]。麻纖維具有天然的植物空腔和多尺度結(jié)構(gòu)，與合成纖維相比，具有優(yōu)異的吸聲性能，因此其復(fù)合材料在吸音降噪、隔熱[2]等方面具有顯著優(yōu)勢。與玻纖增強(qiáng)塑料件相比，麻纖維復(fù)合材料模壓制品密度更小，使用中耗能更低；而且其硬度較低，破壞時(shí)不會產(chǎn)生銳利碎片；也不像玻纖那樣會引起皮膚及呼吸道過敏反應(yīng)，因而更安全。因此麻纖維復(fù)合材料的應(yīng)用開發(fā)對要求綠色輕量化、安全舒適的汽車行業(yè)意義重大。

然而，黃麻纖維徑粗、硬挺、剛度大，在針刺成氈過程中極易發(fā)生斷針現(xiàn)象，同時(shí)針刺對纖維自身也會產(chǎn)生破壞，最終導(dǎo)致成型件性能下降。此外采用浸膠復(fù)合工藝，液態(tài)樹脂或橡膠容易進(jìn)入纖維空腔，會影響材料的吸聲性能。因此，針對汽車內(nèi)飾制品，本文采用宜于批量生產(chǎn)的非織造熱粘合工藝，以黃麻纖維、4080等熱塑性合成纖維以及玄武巖纖維[12]為基本原料制備綠色環(huán)保的混雜纖維無紡布，進(jìn)而優(yōu)化材料配方及成型條件，獲得綜合性能較優(yōu)的配方及其成型工藝；然后開展吸聲性能測試，并將其在不同激勵(lì)頻率下的吸聲系數(shù)與目前廣泛采用的黃麻/環(huán)氧復(fù)合材料進(jìn)行對比分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料與設(shè)備

黃麻纖維：孟加拉C級；4080纖維：韓國匯維仕化纖有限公司(纖度4D，長度51 mm)，廈門翔鷺化纖股份有限公司(纖度4D，長度51 mm)；玄武巖纖維：山西巴塞奧特科技有限公司(牌號CBF13-60，單纖直徑13 μm，長度60 mm)；丙綸：陵縣丙綸廠(纖度3D，長度51 mm)；滌綸：晉州市翰博化纖有限公司(纖度2.5D，長度51 mm)。

平板硫化機(jī)：GY350×350型，青島光越橡膠機(jī)械制造有限公司；掃描電子顯微鏡：SU-70型，日立高新技術(shù)公司；電子萬能試驗(yàn)機(jī)：CMT4204型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；熱失重分析儀：TOLEDO，美國METTLER公司；阻抗管系統(tǒng)：SW422/477/499，北京聲望聲學(xué)技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作

1.2.1 纖維性能試驗(yàn)

黃麻纖維的熱重實(shí)驗(yàn)在流量為50 mL/min的空氣氛圍中進(jìn)行，升溫速率為10 ℃/min，溫度范圍為45～850 ℃。

4080纖維的DSC實(shí)驗(yàn)在流量為50 mL/min的氮?dú)夥諊羞M(jìn)行。先將試樣以15 ℃/min升溫至280 ℃，保溫5 min后迅速降溫至-50 ℃。進(jìn)行二次掃描，升溫速率為10 ℃/min，溫度范圍為-50～280 ℃。

1.2.2 黃麻復(fù)合材料制備

黃麻/4080纖維熱粘合無紡布及其結(jié)構(gòu)件制備流程主要包括黃麻纖維短切、黃麻與4080纖維混合開松、梳理成網(wǎng)、烘箱內(nèi)預(yù)定型、成卷處理及熱壓成型[3]。

1.2.3 黃麻復(fù)合材料拉伸性能測試

按照GB/T 1040.2-2006標(biāo)準(zhǔn)，將試樣裁剪成啞鈴型，進(jìn)行拉伸測試，拉伸速度為10 mm/min，測試5個(gè)有效試樣，然后取平均值。

1.2.4 黃麻復(fù)合材料撕裂性能測試

按照QB/T 1130-91標(biāo)準(zhǔn)，將試樣裁剪成直角型，進(jìn)行直角撕裂性能試驗(yàn)，拉伸速度為200 mm/min，測試5個(gè)有效試樣，然后取平均值。

1.2.5 黃麻復(fù)合材料微觀形貌SEM表征

取5 mm×5 mm大小試樣，經(jīng)噴金處理，使用SU-70掃描電子顯微鏡在3kV電壓下觀察微觀形貌。

1.2.6 黃麻復(fù)合材料的吸聲性能測試

按照ISO 10534-2標(biāo)準(zhǔn)，厚度為3 mm、直徑分別為100 mm(測頻范圍為400～1 600 Hz)和30 mm(測頻范圍為1 250～6 100 Hz)的試樣緊貼阻抗管內(nèi)剛性壁。于25 ℃、60%相對濕度以及1atm下，采用傳遞函數(shù)法進(jìn)行復(fù)合材料聲學(xué)特性的測試(聲波垂直入射)，入射聲波頻率400～6 100 Hz，以得到材料在不同頻率下的吸聲系數(shù)(吸聲系數(shù)指的是材料吸收聲能與入射聲能的比值)。

2 結(jié)果分析

2.1 材料配方及成型參數(shù)的優(yōu)選

2.1.1 成型溫度的確定

(1) 黃麻纖維的熱重分析

由圖1可知黃麻纖維的熱分解溫度為263 ℃。當(dāng)溫度處于45～108 ℃的范圍內(nèi)，黃麻纖維中的物理吸附水受熱蒸發(fā)。當(dāng)溫度處于109～245 ℃的范圍內(nèi)，黃麻纖維的化學(xué)結(jié)合水脫去。在此過程中，黃麻表面從190 ℃左右開始發(fā)黃，其力學(xué)性能開始產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的劣化。

圖1 黃麻纖維的熱失重結(jié)果

(2) 4080纖維的DSC分析

由4080纖維的DSC掃描曲線可知，4080纖維的皮層在72.1 ℃開始熔化；芯層在250.4 ℃附近開始熔化。

圖2 4080纖維的DSC結(jié)果

結(jié)合黃麻纖維的熱重分析，成型溫度要控制在黃麻纖維黃變溫度190 ℃以下， 4080纖維皮層熔化溫度72.1 ℃之上，在此溫度范圍內(nèi)4080纖維的芯部具有整體支撐和協(xié)調(diào)變形的能力。此外，脫模溫度應(yīng)低于熱熔膠無定形組分的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度至少10 ℃，即溫度要降到60 ℃以下再開模。

2.1.2 材料配方優(yōu)選

所選組分如表1所示，表中膠量指的是4080纖維的低熔點(diǎn)皮層質(zhì)量(4080纖維質(zhì)量的一半)與丙綸質(zhì)量之和?？紤]到玄武巖纖維成本較高，為初步摸索非織造工藝和熱粘合預(yù)定型技術(shù)應(yīng)用于天然纖維制品的可行性，先采用黃麻纖維和其它合成纖維，如表1中配方一所示，進(jìn)行探索性制備實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對配方進(jìn)行改進(jìn)，最終確定優(yōu)化后的配方四。

表1 內(nèi)飾板配方

圖3為4種配方所對應(yīng)的纖維氈微觀形貌SEM圖像?？梢愿鶕?jù)纖維直徑、形貌判斷出纖維的具體類型，并可觀察纖維間的粘接情況。 由圖3(a)可看出，配方一所制備的纖維氈中非極性的丙綸經(jīng)烘箱加熱后熔縮成一個(gè)個(gè)球體，而不再保持纖維形態(tài)，從而大大降低了有效粘接面積，影響了丙綸作為熱塑性粘合劑的性能，同時(shí)破壞了纖維氈的均勻網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致使孔隙分布不均，不利于后續(xù)成型時(shí)低熔點(diǎn)成分熔融后的流動滲透，降低了對纖維的粘接作用。

因此在配方二中不再選用丙綸，而是完全由4080纖維的低熔點(diǎn)皮層作為粘合劑，所制備纖維氈的微觀形貌如圖3(b)所示。與配方一相比，纖維間的粘接效果更好，孔隙更加均勻，并且保持了纖維氈良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步提高力學(xué)性能以及阻燃性，在配方三中加入玄武巖纖維以替代部分黃麻纖維，制備出如圖3(c)所示的孔隙均勻的纖維氈。

然而在無紡布制備過程中，玄武巖容易掉落，而且成本較高。另考慮到滌綸僅起到支撐骨架作用，其功能可以由4080纖維的芯部——聚酯纖維代替，而且相較于丙綸，相同膠量的條件下，4080纖維賦予了麻纖維復(fù)合材料更好的粘接和變形能力。所以在配方四中按照黃麻、4080纖維質(zhì)量各半進(jìn)行配料，所制備纖維氈的微觀形貌如圖3(d)所示，相互穿插成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，混合較好。

圖3 4種配方纖維氈的SEM圖像

以成型壓力0.45 MPa、溫度160 ℃時(shí)保持5 min的熱模壓成型條件為例，從拉伸和撕裂強(qiáng)度的角度進(jìn)一步對4個(gè)配方體系進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4 4個(gè)配方對應(yīng)的復(fù)合材料拉伸及撕裂強(qiáng)度

Fig 4 Tensile and tear strength of four composite panels with different formulas

可見配方四所對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度最高，達(dá)到36.71 MPa，遠(yuǎn)高于汽車內(nèi)飾件用麻纖維復(fù)合材料板行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 906-2013的拉伸性能要求(拉伸強(qiáng)度2.5 MPa)。撕裂強(qiáng)度僅次于配方三。綜合考量，優(yōu)選的材料配方為配方四。

2.1.3 材料成型參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)優(yōu)選的配方四，以拉伸性能為依據(jù)，采用單因素分析法分別研究熱模壓成型參數(shù)中的溫度、壓力和保溫時(shí)間對制品性能的影響。即在160 ℃、保溫5 min的條件下，改變成型壓力；在160 ℃、0.45 MPa的條件下，改變保溫時(shí)間；在0.45 MPa、保溫5 min的條件下，改變成型溫度。復(fù)合材料各自的拉伸強(qiáng)度如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在0.85～0.95 MPa、保溫6～8 min和163～167 ℃的成型工藝條件下可以獲得相對較優(yōu)的拉伸性能。此外，黃麻纖維復(fù)合材料的拉伸性能對保溫保壓時(shí)間敏感度相對較低，為保證其力學(xué)性能，在接下來的吸聲性能研究中，保持成型溫度和壓力不變，只研究保溫保壓時(shí)間對其吸聲性能的影響。

圖5 復(fù)合材料在各種成型參數(shù)下的拉伸強(qiáng)度

2.2 材料吸聲性能測試

選用上述實(shí)驗(yàn)所得拉伸性能較優(yōu)的成型溫度和壓力參數(shù)，按照配方四分別制備保溫保壓3、5和7 min的3 mm厚的復(fù)合材料，各自對應(yīng)圖6中的No.1、No.2和No.3試樣，對其吸聲系數(shù)開展比較分析。如圖6所示，隨著入射聲波頻率的增大，黃麻纖維復(fù)合材料的吸聲系數(shù)不斷提高，在4 500 Hz附近出現(xiàn)一個(gè)共振吸收峰。

圖6 不同保溫保壓時(shí)間下復(fù)合材料吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線

Fig 6 Curves of sound absorption coefficients of composites vs frequency under different heat and pressure preservation times

采用非織造熱粘合預(yù)定型技術(shù)，所得材料在宏觀結(jié)構(gòu)尺度上可以認(rèn)為是均質(zhì)各向同性材料。通常來講，聲音在各向同性材料中的傳播主要取決于傳播常數(shù)和特性阻抗[13]，而這二者又取決于材料的厚度和流阻，其中流阻由纖維直徑以及材料體密度決定。No.1、No.2和No.3試樣的厚度與纖維平均直徑一致，僅是保溫保壓時(shí)間不同，從而導(dǎo)致材料體密度(或者說材料孔隙率)不同。對比三者吸聲性能，可以發(fā)現(xiàn)在一定溫度和壓力條件下，保溫時(shí)間為5 min所得麻纖維復(fù)合材料吸聲性能相對最優(yōu)，也就是說，在一定材料厚度和纖維直徑下，材料存在一個(gè)相對最佳吸音孔隙率。

為進(jìn)一步揭示麻纖維中空腔對材料吸聲性能的影響，通過手糊工藝采用相同的成型溫度、保溫保壓時(shí)間以及適于環(huán)氧固化的壓力制備了相同厚度的黃麻/環(huán)氧復(fù)合材料，其中黃麻質(zhì)量分?jǐn)?shù)約57%，對應(yīng)于圖7中的No.4試樣。由圖7可知，熱塑性基體復(fù)合材料——黃麻/4080復(fù)合材料(No.2)與熱固性基體復(fù)合材料——黃麻/環(huán)氧復(fù)合材料的吸聲系數(shù)隨頻率的變化趨勢大致相同，而同樣厚度下環(huán)氧樹脂的吸聲性能比較差[7]，說明這兩個(gè)復(fù)合材料體系中都是黃麻纖維在貢獻(xiàn)著主要的吸聲性能。

圖7 熱塑性和熱固性基體的復(fù)合材料吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線

Fig 7 Curves of sound absorption coefficients of thermoplastic and thermosetting matrix composites vs frequency

由No.2和No.4對比發(fā)現(xiàn)，黃麻/4080復(fù)合材料體系的吸聲性能要整體優(yōu)于黃麻/環(huán)氧復(fù)合材料體系，具體原因可通過如圖8所示的兩者斷面微觀形貌解釋。

當(dāng)聲波入射該類薄層(材料厚度遠(yuǎn)小于入射聲波波長)多孔材料時(shí)，一部分聲波被反射，一部分進(jìn)入材料內(nèi)部。入射聲波引起纖維間空隙與纖維內(nèi)空腔的空氣質(zhì)點(diǎn)振動，并使微纖本身振動[14]，宏觀上表現(xiàn)為粘滯性和熱傳導(dǎo)，進(jìn)而造成空氣與纖維壁以及纖維之間的摩擦，形成的粘滯阻力作用使聲能變成熱能而衰減。隨著聲波頻率增加，一方面其帶動空氣質(zhì)點(diǎn)加速振動，加快聲能損耗；另一方面，其波長更短，更易于在材料間發(fā)生反射與透射，這就會導(dǎo)致更多的聲能被消耗，因此，入射聲波頻率提高，材料的吸聲能力就得到提高。由圖8斷面照片可知，對于黃麻/環(huán)氧復(fù)合材料，熱壓成型時(shí)流動性好的環(huán)氧樹脂充分浸漬麻纖維間的孔隙和纖維空腔，降低了材料的有效孔隙率，影響了振動空氣與纖維壁的摩擦，并很大程度上限制了微纖的振動。而配方四所得材料內(nèi)植物空腔保存較為完整，所以雖然黃麻纖維含量相對少一些，但是相應(yīng)的吸聲系數(shù)更高。

圖8 麻纖維復(fù)合材料斷面SEM圖像

3 結(jié) 論

(1) 利用非織造工藝和熱粘合預(yù)定型技術(shù)制備了高孔隙率的天然纖維/熱塑性合成纖維復(fù)合材料氈，有效規(guī)避了針刺預(yù)定型工藝對設(shè)備及原料的苛刻要求，所制備的連續(xù)條狀料有利于后續(xù)的熱壓成型工藝。

(2) 根據(jù)不同配方纖維氈形貌的掃描電鏡觀察和復(fù)合材料板的力學(xué)性能測試，獲得了性能較優(yōu)的配方及其配套的0.85～0.95 MPa成型壓力、6～8 min保溫保壓時(shí)間、163～167 ℃成型溫度的熱壓成型工藝參數(shù)。

(3) 通過不同保溫時(shí)間下材料吸聲性能的對比，發(fā)現(xiàn)在一定條件下復(fù)合材料保溫5 min時(shí)存在一個(gè)相對最佳的吸音孔隙率。所制得3 mm厚的復(fù)合材料拉伸性能可滿足汽車內(nèi)飾用材料的要求，并保持了一定的孔隙率，其吸聲系數(shù)在2 500 Hz以上時(shí)接近甚至高于0.2，在中高頻范圍內(nèi)起到較好的吸音降噪作用。

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ZHOU Yong1, SUN Xiaochen2, ZHANG Xingwei3, ZHOU Yian1, GUO Yunli1, JIA Yuxi1

(1. School of Materials Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;2. Shandong Institute for Product Quality Inspection, Jinan 250102, China;3. Teaching and Research Group, Jinan West District Experimental High School, Jinan 250118, China)

Adopting the nonwoven technology of jute fiber and 4080 polyester fiber with skin-core structure, green and biodegradable composite structures were manufactured through thermal bonding presetting and then hot pressing technique which was suitable for continuous industrial production. The material formula was optimized by the mechanical performance test and micro-morphology characterization after considering such factors as material source and cost. The effect of molding temperature, pressure and holding time on the tensile properties of jute fiber composites was studied by the controlling variable method. The acoustic absorption property of the composite was studied by transfer function method and the result indicated that this composite had obvious advantages in noise reduction when applied as car interior parts. Finally, the sound absorption mechanism of jute/4080 composite was discussed.

jute fiber; synthetic fiber; sound absorption property; interior part

1001-9731(2016)11-11131-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51373090)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2015QZ05)

2015-12-02

2016-03-14 通訊作者：賈玉璽，E-mail: jia_yuxi@sdu.edu.cn

周 勇 (1992-)，男，山東臨沂人，碩士，師承賈玉璽教授，從事天然纖維復(fù)合材料的制備和性能研究。

TB332

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.026