樓利琴, 傅雅琴

(1. 紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院， 浙江 紹興 312000；2. 浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

竹原纖維/聚氨酯復(fù)合材料的隔音性能

樓利琴1, 傅雅琴2

(1. 紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院， 浙江 紹興 312000；2. 浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

為充分發(fā)揮天然竹原纖維的可再生性和生物分解性，減少隔音復(fù)合材料對(duì)環(huán)境的負(fù)荷，并進(jìn)一步改善竹原纖維/聚氨酯復(fù)合材料的隔音性能，以天然環(huán)保和可再生的竹原纖維為增強(qiáng)材料，以聚氨酯為基體，制備了一系列不同方式復(fù)合的隔音復(fù)合材料。研究了竹原纖維的排列方式與質(zhì)量分?jǐn)?shù)、及氫氧化鈉溶液表面處理對(duì)復(fù)合材料隔音性能的影響。結(jié)果表明：竹原纖維采用直鋪法制成的復(fù)合材料隔音性能最好；竹原纖維經(jīng)氫氧化鈉溶液處理后制成的復(fù)合材料其隔音性能顯著提高；隨著竹原纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的隔音性能增大。

竹原纖維； 聚氨酯； 復(fù)合材料； 隔音性能

噪聲對(duì)人們身心健康的影響愈來(lái)愈大[1]，在實(shí)際應(yīng)用中，單一材料作為隔音材料已存在一定的局限性，因此，許多研究人員致力于進(jìn)行新型隔音復(fù)合材料的研究和開(kāi)發(fā)[2-3]。有研究者利用無(wú)機(jī)或合成纖維制備隔音復(fù)合材料[4]，但隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，利用天然植物纖維與聚合物制成隔音降噪復(fù)合材料的研究和開(kāi)發(fā)已受到重視[5-6]。竹原纖維復(fù)合材料具有較好的綜合性能[7-8]，熱塑性聚氨酯具有較好的隔音性和回收性，但其拉伸性能不好，因此，以竹原纖維為增強(qiáng)材料，以聚氨酯為基體制成復(fù)合材料，不僅能保持聚氨酯良好的隔音性，而且還具有比強(qiáng)度高，比剛度大，隔音，隔熱性能突出，成本低，柔韌性好，對(duì)環(huán)境良好的親和性等優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，利用天然竹原纖維作為復(fù)合材料增強(qiáng)體的研究報(bào)道有所增加[9-10]，國(guó)外也有在隔音復(fù)合材料中的實(shí)際應(yīng)用[11-12]，但對(duì)纖維的排列方式與質(zhì)量分?jǐn)?shù)及表面處理對(duì)復(fù)合材料隔音性能的影響還缺乏系統(tǒng)研究。本文在竹原纖維及其復(fù)合材料前期研究的基礎(chǔ)上，以隔音性能優(yōu)良的聚氨酯為基體[13]，制備了一系列不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，以優(yōu)化復(fù)合材料的隔音性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

竹原纖維(工藝?yán)w維長(zhǎng)度為60～95 mm，平均線密度為12.6 dtex)，四川斑博企業(yè)生產(chǎn)；聚氨酯預(yù)聚體，紹興恒豐聚氨酯實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)；3,3′-二氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷(莫卡硫化劑，MOCA)，蘇州湘園特種精細(xì)化工企業(yè)提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

首先用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH溶液處理纖維，選取脫膠性能好，又對(duì)纖維強(qiáng)度損傷小的NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間。制備纖維不同排列方式、纖維不同表面處理、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的竹原纖維與聚氨酯復(fù)合的隔音復(fù)合材料，具體方案設(shè)計(jì)如下。

1)用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH處理纖維：NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、5%、10%、15%，處理時(shí)間為2 h，纖維采用直鋪，纖維含量為5%。由于NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%后，纖維拉伸性能下降太大，因此，取15%為最大值。

2)不同纖維排列方式：采用直鋪、十字型鋪和雜亂鋪3種排列方式，纖維含量為5%， NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，處理時(shí)間為2 h。

3)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的竹原纖維：由于纖維在復(fù)合材料中主要起骨架支撐增強(qiáng)作用，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高，容易產(chǎn)生纖維間團(tuán)聚，因此，本文實(shí)驗(yàn)選取纖維含量分別為2%，3%，4%，5%，纖維采用直鋪，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，處理時(shí)間為2 h。

1.2.2 竹原纖維/聚氨酯復(fù)合材料的制備

按實(shí)驗(yàn)方案要求將聚氨酯預(yù)聚體真空脫氣10～15 min，將MOCA固體升溫到110 ℃熔化，然后把MOCA倒入預(yù)聚體中(預(yù)聚體與MOCA質(zhì)量比為100∶14)混勻攪拌15 s后，再注入已鋪有纖維的模具中，再放入烘箱，升溫到120°進(jìn)行烘干，烘干時(shí)間為3 h，從而制得一系列不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔音復(fù)合材料。

1.2.3 復(fù)合材料隔音性能測(cè)試

使用儀器為BSWAVS302USB雙聲道聲學(xué)分析儀，測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。應(yīng)用Spectra LAB軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，非計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，90 dB聲壓級(jí)的粉紅背景噪聲源與1/3倍頻程為研究對(duì)象。其中聲音取樣頻率為48 kHz；抽取速率選擇位1；快速傅里葉變換樣本數(shù)為4 096。

圖1 隔音測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Measurement system of sound insulation

使用聲音透過(guò)衰減量來(lái)表示材料的隔音性能，計(jì)算公式為

式中：Ii為聲波入射強(qiáng)度；Iτ為聲波透過(guò)強(qiáng)度；τ為聲音透過(guò)率；Ei為聲波入射能量；Eτ為聲波透過(guò)能量。

1.2.4 竹原纖維及復(fù)合材料截面結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用JSM-5610LV掃描電子顯微鏡，測(cè)試NaOH處理前后竹原纖維的截面形態(tài)，以及竹原纖維在NaOH處理前后制成復(fù)合材料的截面形態(tài)。NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，處理時(shí)間為2 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹原纖維/聚氨酯復(fù)合材料隔音性能

2.1.1 表面處理對(duì)復(fù)合材料隔音性能的影響

圖2示出竹原纖維經(jīng)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH溶液處理后制得的復(fù)合材料的隔音性能?？煽闯?，竹原纖維經(jīng)NaOH處理后制成的復(fù)合材料其隔音性能比竹原纖維未經(jīng)處理的復(fù)合材料好，且NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，隔音性能也增強(qiáng)。在低頻(<150 Hz)的情況下，隔音性能基本無(wú)變化；在低頻(150～500 Hz)范圍內(nèi)，隔音性能明顯增強(qiáng)；在中高頻(>1 000 Hz)的條件下，隔音性能進(jìn)一步明顯增強(qiáng)。這主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)NaOH溶液處理后，竹原纖維束纖維部分組分分離，纖維變細(xì)、變小，比表面積增大，纖維與聚氨酯界面黏合力增強(qiáng)，復(fù)合材料透氣性變差，隔音性能提高。而且當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，束纖維進(jìn)一步分離，纖維變得更細(xì)，進(jìn)一步增強(qiáng)了纖維與聚氨酯的黏合力，復(fù)合材料透氣性變得更差，隔音性能更好。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaOH處理后復(fù)合材料的隔音性能Fig.2 Sound insulation performance of composite materials treated with NaOH solutions of different mass fractions

2.1.2 排列方式對(duì)復(fù)合材料隔音性能影響

圖3示出采用不同纖維排列方式制得的復(fù)合材料的隔音性能。從圖可知，不同的排列方式對(duì)隔音性能影響較大。在低頻小于150 Hz的情況下，纖維的不同排列方式對(duì)隔音性能無(wú)太大影響；當(dāng)大于150 Hz的情況下，隔音性能有明顯差異。采用直鋪法制得的復(fù)合材料的隔音性能優(yōu)于十字鋪法和雜亂鋪法，十字鋪法復(fù)合材料的隔音性能比雜亂鋪法的隔音性能較好，這主要是因?yàn)椴捎美w維直鋪時(shí)，竹原纖維排列相對(duì)整齊、平整和均勻性好，增加了與聚氨酯的接觸面積，有效提高了與聚氨酯基體的黏合性，聲波入射到竹原纖維表面上的反射隔聲作用增強(qiáng)，從而提高了材料的隔音性能。

圖3 不同排列方式對(duì)復(fù)合材料隔音性能的影響Fig.3 Sound insulation performance of composite materials with different fiber packing modes

2.1.3 纖維含量對(duì)復(fù)合材料隔音性能的影響

圖4示出采用不同含量的竹原纖維制得的復(fù)合材料的隔音性能?？煽吹?，當(dāng)纖維含量為2%時(shí)，復(fù)合材料的隔音性能與純聚氨酯相比沒(méi)有明顯提高。在低頻(<150 Hz)的情況下，其隔音性能基本無(wú)變化；在低頻(150～500 Hz)范圍內(nèi)，隔音性能明顯增強(qiáng)；在中高頻(>1 000 Hz)的條件下，隔音性能進(jìn)一步明顯增強(qiáng)。這主要是因?yàn)槔w維含量較小時(shí)，纖維在聚氨酯基體中未形成連續(xù)的纖維層，大量的空隙存在于纖維間，影響了復(fù)合材料的隔音性能。當(dāng)纖維含量繼續(xù)增加時(shí)，纖維排列分布連續(xù)性增強(qiáng)，纖維間排列較緊密，聲波通過(guò)織物時(shí)空氣流阻增大，增加對(duì)入射聲能的衰減，且纖維間多孔效應(yīng)較大，吸收入射的聲波能力增強(qiáng)，因此，隔音性能也不斷變好。但纖維含量過(guò)大時(shí)，纖維容易引起團(tuán)聚，制備工藝復(fù)雜，因此，在本文實(shí)驗(yàn)條件下以5%左右為宜。

圖4 纖維含量對(duì)復(fù)合材料隔音性能的影響Fig.4 Sound insulation performance of composite materials with different fiber contents

2.2 竹原纖維及其復(fù)合材料截面形態(tài)

NaOH處理前后的竹原纖維截面形態(tài)及其竹原纖維處理前后制成復(fù)合材料的截面形態(tài)見(jiàn)圖5、6。從圖5可看到，NaOH處理后竹原纖維膠質(zhì)被去除，束纖維部分組分分離，纖維束直徑變細(xì)，比表面增大，纖維與聚氨酯界面黏合力增強(qiáng)，并且NaOH與纖維反應(yīng)生成堿纖維素，纖維表面粗糙度增加，進(jìn)一步提高了聚氨酯與纖維間的界面黏合力。從圖6可知，未經(jīng)NaOH處理的復(fù)合材料，纖維周圍黏附的聚氨酯樹脂較少，纖維與基體間存在著一定的界面分離現(xiàn)象，而經(jīng)NaOH處理后的竹原纖維制得的復(fù)合材料，纖維表面被樹脂包裹著，纖維與基體間的黏合力強(qiáng)，纖維與基體間界面分離現(xiàn)象明顯改善。說(shuō)明通過(guò)堿濃液處理能有效改善竹原纖維對(duì)基體的黏合力，復(fù)合材料透氣性變差，隔音性能增強(qiáng)。

圖5 NaOH處理前后竹原纖維截面形態(tài)(×100)Fig.5 Cross-section of fiber non-treated (a)and treated(b) with NaOH (×100)

圖6 NaOH處理前后復(fù)合材料的截面形態(tài)(×600)Fig.6 Cross-section of composite material non-treated (a) and treated (b) with NaOH(×600)

3 結(jié) 論

1)用NaOH溶液處理時(shí)，在低頻(<150 Hz)的情況下，隔音性能基本無(wú)變化；在低頻(150～500 Hz)范圍內(nèi)，隔音性能明顯增強(qiáng)；在中高頻(>1 000 Hz)的條件下，隔音性能進(jìn)一步明顯增強(qiáng)。且NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，隔音性能增強(qiáng)。

2)采用直鋪法制成的復(fù)合材料的隔音性能明顯優(yōu)于十字鋪和雜亂鋪法。

3)當(dāng)竹原纖維含量為2%時(shí)，其隔音性能與純聚氨酯相比沒(méi)有明顯提高。隨著纖維含量的增加，在低頻(<150 Hz)的情況下，隔音性能基本無(wú)變化；在低頻(150～500 Hz)范圍內(nèi)，隔音性能明顯增強(qiáng)；在中高頻(>1 000 Hz)的條件下，隔音性能進(jìn)一步明顯增強(qiáng)。FZXB

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Sound insulation performance of bamboo/polyurethane composite

LOU Liqin1, FU Yaqin2

(1.YuanpeiCollege,ShaoxingUniversity,Shaoxing,Zhejiang312000,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileMaterialsandManufacturingTechnology,MinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

In order to give full play to renewability and biodegradability of nature bamboo fiber and reduce the environmental load of sound insulation composite material and further improve sound insulation performance of natural bamboo fiber/polyurethane composite material, a series of sound insulation composite materials were prepared in different ways using the natural environment-friendly and renewable bamboo fiber as the reinforcing material and polyurethane as base material. The influence of bamboo fiber packing modes, NaOH solution surface treatment and natural bamboo fiber content on the sound insulation composite materials was studied. The results showed that sound insulation performance of composite material with straight fibers packing is the best. Sound insulation performance is improved when fibers were treated by NaOH solution. With the natural bamboo fiber content increases, the sound insulation performance of composites increases.

bamboo fiber; polyurethane; composite; sound insulation performance

10.13475/j.fzxb.20160400805

2016-04-04

2016-07-24

樓利琴(1966—)，女，教授,碩士。研究方向?yàn)榧徔椥虏牧涎芯考凹徔椘烽_(kāi)發(fā)。E-mail:llq@usx.edu.cn。

TB 332

A