張 毅,邵利鋒,楊 彬,高金霞,郁崇文
(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院, 浙江 紹興 312000;2.紹興透真紡織科技有限公司, 浙江 紹興 312000;3.東華大學 紡織學院, 上海 201620)
近年來,隨著消費者對汽車內(nèi)飾品質(zhì)要求的逐步提高,具有吸聲隔音但不環(huán)保的樹脂塑料或橡膠類內(nèi)飾材料逐步淡出市場[1],取而代之的是輕質(zhì)、吸聲、環(huán)保的天然纖維增強復合材料[2]。黃麻纖維作為增強體制備的復合材料完全符合車用材料對吸聲、環(huán)保和輕量化的需求[3]。然而我國黃麻主要依賴于從孟加拉國、印度等國進口,受新冠疫情影響,黃麻進口總量明顯降低,加上國內(nèi)黃麻種植產(chǎn)量少,造成黃麻相關(guān)制品生產(chǎn)量縮減。汽車內(nèi)飾廠商正在研究、尋找可以混用或部分替代黃麻制備吸聲材料的新型纖維。棕櫚在我國種植廣泛,價格約為黃麻的1/2,其纖維具有耐腐蝕、隔音好、自然可降解等優(yōu)良特性[4]。棕櫚纖維長度約為61 mm,線密度約為14.5 dtex,纖維斷裂強度約為7.5 cN/dtex,與黃麻相當;其表面粗糙,內(nèi)部近似蜂窩狀和多孔結(jié)構(gòu),這使得棕櫚在保溫、吸聲及降噪等領域具有應用前景[5]。
近年來,關(guān)于多孔材料吸聲性能的研究主要有:萬玉峰等[6]研究了轎車針刺非織造布外輪罩材料的設計方法與吸聲性能,提出不同粗細纖維搭配、適當增加面密度、形成梯度多孔結(jié)構(gòu),可改善材料的綜合吸聲性能;董凱輝等[7]研究了硅溶膠/植物纖維吸聲材料的制備及性能,提出面密度不宜過高,否則會造成吸聲材料內(nèi)部孔隙率過低;王建輝等[8]通過添加具有多孔結(jié)構(gòu)的粉煤灰陶粒來制備降噪聲屏障材料,得出最佳陶粒粒徑為1.0~3.0 mm,增加材料厚度可顯著改善其在1 000 Hz以下的吸聲性能;沈岳等[9]分析了不同梯度方向、面密度和結(jié)構(gòu)的碳纖維氈對吸聲性能的影響,提出總面密度相同時,低頻段單一結(jié)構(gòu)纖維氈的吸聲性能比正梯度結(jié)構(gòu)好,比倒梯度結(jié)構(gòu)差,隨著纖維氈總面密度的增加,其低頻吸聲系數(shù)逐步增加;吳量等[10]基于Biot理論和多層介質(zhì)聲波傳播理論,提出在材料整體厚度降低 18 mm 后其吸聲性能并未降低;李濤等[11]研究了纖維參數(shù)對聚酯纖維板吸聲性能的影響,提出線密度小的纖維其吸聲性能相對更好,纖維長度對吸聲性能影響不顯著。
多孔材料的吸聲機制主要是當外界聲波透入材料內(nèi)部向前傳播時,在材料內(nèi)部彼此相通的無數(shù)細微孔隙內(nèi)發(fā)生空氣運動,并與孔壁的固體筋絡發(fā)生摩擦,產(chǎn)生黏滯性和熱傳導效應,將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,進而耗散(或吸收)掉[12]。當前應用廣泛的是Johnson-Allard 模型[13]。該模型優(yōu)化了瑞利理論[14]和Biot 理論[15]的不足,在Delany-Bazley 模型[16]基礎上,可采用孔隙率、熱特征長度、彎曲度、黏性特征長度和流阻來表征多孔材料吸聲特性。本文以棕櫚纖維氈為增強體,聚(3-羥基丁酸酯-co-3-羥基戊酸酯)(PHBV)為基體,通過熱壓工藝制成復合材料。在分析Johnson-Allard 模型基礎上,研究了棕櫚纖維氈與PHBV的質(zhì)量比、棕櫚纖維氈面密度、棕櫚纖維線密度、棕櫚纖維氈梯度結(jié)構(gòu)、多孔粉煤灰陶粒添加量等對棕櫚纖維氈/PHBV熱壓復合材料低頻吸聲系數(shù)的影響,以期達到混用或部分替代黃麻制備汽車內(nèi)飾用吸聲材料的目的,并對優(yōu)化工藝下制成的復合材料的斷面形貌、化學結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性能與拉伸性能進行研究。
Johnson-Allard模型是目前最常用的纖維多孔材料吸聲模型,具體公式為:
(1)
Z=Z0coth(γl)
(2)
(3)
(4)
K(ω)=
(5)
(6)
式中:α為材料的吸聲系數(shù);Z為材料的表面特征阻抗,Ω;ρ0為空氣密度,kg/m3;C0為聲音在空氣中的傳播速度,m/s;Z0為材料的特征阻抗,Ω;γ為材料的傳播常數(shù);l為材料的厚度,m;ρ(ω)為空氣動態(tài)密度,kg/m3;K(ω)為空氣動態(tài)體積模量,m3;α∞為材料彎曲度;σ為纖維吸聲材料流阻,Pa·s/m3;φ為孔隙率,%;ω為聲波角頻率,rad/s;j為單位矢量;Λ為黏性特征長度,m;Λ′為熱特征長度,m;η為空氣黏性,Pa·s;Pγ為空氣普朗特數(shù);C為空隙截面形狀因子;i,j表示動態(tài)方程。
將式(6)代入式(4)、(5)可得出:
(7)
K(ω)=
(8)
由式(3)、(7)、(8)可知,在一定范圍內(nèi),材料的流阻σ或孔隙率φ越大,其吸聲系數(shù)越大。依據(jù)ISO 9053-1—2018《聲學 吸聲材料流阻的測定 第1部分:直流法》,運用直流法測量原理,得出厚度為l的纖維多孔材料流阻為
(9)
式中:ΔP為開口處壓差,Pa;A為測試材料的截面積,m2;m為進入材料內(nèi)部的空氣質(zhì)量,g。由式(9)可知,纖維多孔材料的流阻在一定程度上與材料的厚度l成反比,同時式(6)和(7)中的黏性特征長度Λ可通過材料單位體積總有效長度來進行換算[17],即:
(10)
式中:L為材料單位體積的總有效長度,m;d為纖維直徑,m;ρ1、ρm分別為復合材料和纖維的體積密度,kg/m3。故復合材料的吸聲系數(shù)受棕櫚纖維直徑(或線密度)的影響。
依據(jù)式(2),本文假設只有1塊厚度為l的棕櫚纖維氈,則其表面特征阻抗可表示為
Z1=Z0coth(γ1l)
(11)
式中:Z1為材料表面特征阻抗,Ω;γ1為第1塊纖維氈的傳播常數(shù)。
若有2塊厚度均為l的棕櫚纖維氈疊加在一起,則其表面特征阻抗[17]可表示為
(12)
式中:Z2′為2塊棕櫚纖維氈疊加后的表面特征阻抗,Ω;Z2為第2塊纖維氈的表面特征阻抗,Ω;γ2為第2塊纖維氈的傳播常數(shù)。式(12)表明,當 2塊厚度相同而面密度不同的纖維氈疊加在一起,疊加后材料的表面特征阻抗與第1塊、第2塊纖維氈的表面特征阻抗有關(guān),故需要測定不同梯度結(jié)構(gòu)的2塊纖維氈疊加成厚度相同的復合材料的吸聲系數(shù),以論證不同的材料表面特征阻抗對復合材料吸聲系數(shù)的影響。
棕櫚纖維,纖維長度約為60 mm,線密度為14.5~15.5 dtex,斷裂強度為6.5~7.8 cN/dtex,湖州富升炭業(yè)有限公司;PHBV粉末(熔點為80~100 ℃),寧波天安生物材料有限公司;多孔粉煤灰陶粒(粒徑為1~3 mm,密度為1.2 g/cm3,耐火度為1 600 ℃,24 h吸水率為21%),安徽暢材節(jié)能科技有限公司。
首先,將不同線密度棕櫚纖維經(jīng)WL-GK-1-60型開松機→WL-J-500型給棉機→WL-GS-A-600型梳理機→WL-ZGS.Z-Y-800型預針刺機→WL-800型成卷機→WL-ZGS.Z-Z-800型針刺機系列針刺工藝制備棕櫚纖維氈。通過設計不同的針刺深度(12~15 mm)、針刺密度(250~290 刺/cm2)、針刺道數(shù)(3~5道)等參數(shù),制備得到面密度分別為102.5、122.9、143.3、206.2 g/m2的棕櫚纖維氈若干塊。
然后,以棕櫚纖維氈為基材,按照不同質(zhì)量比稱取PHBV、多孔粉煤灰陶粒粉末并混合均勻,采用KMPF-D電氣式撒粉機將粉末均勻撒在棕櫚纖維氈上;最后,利用XLB-350×350×2型平板硫化機進行熱壓制備得到吸聲復合材料。其中,熱壓溫度為170~180 ℃,熱壓壓力為17~19 MPa,熱壓時間為7 min,冷卻壓力為15~19 MPa,冷卻時間為7~9 min。
同時,選擇面密度分別為143.3和102.5、122.9和122.9、102.5和143.3 g/m2的2層棕櫚纖維氈,分別在每層纖維氈上均勻撒上PHBV粉末,通過上述熱壓工藝制備3種梯度結(jié)構(gòu)的熱壓復合材料。
2.3.1 吸聲系數(shù)測試
依據(jù)GB/T 18696.2—2002《聲學阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量 第2部分:傳遞函數(shù)法》,采用SW422/477型鋁合金阻抗測量管,將待測吸聲復合材料(樣品為圓形,直徑為100 mm)放置于駐波管一端,在其與管壁無縫隙的條件下測試材料的吸聲系數(shù)。汽車內(nèi)部及外在交通噪聲主要處于200~1 600 Hz[6],因此,選擇具有代表性的10個頻率(125、250、375、500、600、800、1 000、1 200、1 500、1 600 Hz)進行測試分析,測試結(jié)果保留2位小數(shù)。
2.3.2 拉伸力學性能測試
依據(jù)GB/T 1447—2006《纖維增強塑料拉伸和彎曲性能試驗方法》,采用CMT5304-30kN型電子萬能試驗機測試吸聲復合材料的應力-應變曲線,得到吸聲材料的拉伸強度。設置測試參數(shù):拉伸速度為50 mm/min,樣品尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。
2.3.3 熱穩(wěn)定性測試
采用TG/DTA7200型熱量-卡重計雙重分析儀測試得到吸聲復合材料的熱重(TG)和微商熱重(DTG)曲線。選擇N2氣氛,流速為30 mL/min,溫度范圍為20~400 ℃,升溫速率為10 ℃/min。
2.3.4 化學結(jié)構(gòu)測試
采用Nicolet IS5傅里葉變換紅外光譜儀對吸聲復合材料進行紅外光譜掃描,以確定其紅外光譜特征吸收峰。選擇衰減全反射模式,掃描波數(shù)范圍為4 000~400 cm-1。
2.3.5 斷面形貌觀察
采用FEI Quanta FEG250掃描電子顯微鏡觀察吸聲復合材料的斷面形貌,測試前對樣品進行噴金處理。
選擇面定度為143.3/102.5 g/m2的倒梯度結(jié)構(gòu),設置棕櫚纖維氈與PHBV的質(zhì)量比分別為30∶70、40∶60、50∶50、60∶40,熱壓制備成復合材料,其吸聲系數(shù)如表1所示。
表1 棕櫚纖維氈和PHBV質(zhì)量比對吸聲系數(shù)的影響
由表1可知,隨著棕櫚纖維氈質(zhì)量比逐步增加,復合材料的吸聲系數(shù)平均值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當棕櫚纖維氈與PHBV質(zhì)量比為40∶60時復合材料的吸聲系數(shù)平均值最高,質(zhì)量比為30∶70時復合材料的吸聲系數(shù)平均值最低。原因在于PHBV質(zhì)量占比過低時,造成熱壓復合材料內(nèi)部孔隙率過大,使吸聲系數(shù)較低;而隨著PHBV質(zhì)量占比的增加,熱壓復合后材料表面越來越光滑,造成聲波反射量增加,因此,進入吸聲材料內(nèi)部的聲波減少,使吸聲系數(shù)又出現(xiàn)降低。故選擇棕櫚原纖與PHBV質(zhì)量比為40∶60為佳。
選擇面密度分別為102.5、143.3、206.2 g/m2的3種單層棕櫚纖維氈,設置棕櫚纖維氈與PHBV質(zhì)量比為40∶60熱壓制備成復合材料,測得各材料的吸聲系數(shù)如表2所示。
表2 棕櫚纖維氈面密度對吸聲系數(shù)的影響
由表2可知,復合材料的吸聲系數(shù)隨棕櫚纖維氈面密度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。原因在于面密度的增加,使聲波透過試樣時與棕櫚纖維的接觸機會就更多,從而使消耗的聲能增加,傳播路徑變長;但當面密度達到206.2 g/m2時,棕櫚纖維氈內(nèi)部纖維排列過于緊密,因孔隙率過低造成吸聲系數(shù)降低。
選擇纖維線密度分別為14.5、15.8、16.5 dtex的3種單層棕櫚纖維氈,固定纖維氈面密度為 143.3 g/m2、棕櫚纖維氈與PHBV質(zhì)量比為40∶60,熱壓制備復合材料,測得各材料的吸聲系數(shù)如表3所示。
表3 棕櫚纖維線密度對吸聲系數(shù)的影響
由表3可知,當棕櫚纖維氈與PHBV質(zhì)量比、纖維氈的面密度均相同時,線密度較小的棕櫚纖維制備成的復合材料的吸聲性能相對較好。原因在于纖維越細,其直徑越小,單位面積內(nèi)含有的棕櫚纖維的根數(shù)越多,聲波進入材料內(nèi)部后將有更多幾率接觸多孔纖維表面[18],從而將更多的聲能轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉。故選擇棕櫚纖維線密度為14.5 dtex為佳。
當棕櫚纖維氈與PHBV質(zhì)量比為40∶60、纖維線密度為14.5 dtex、纖維氈總面密度為245.8 g/m2時,選擇面密度組合為143.3/102.5、122.9/122.9、102.5/143.3 g/m2的3種梯度結(jié)構(gòu)的2層棕櫚纖維氈,熱壓制備得到相同厚度的復合材料,測得各材料的吸聲系數(shù)如表4所示。
表4 棕櫚纖維氈梯度結(jié)構(gòu)對吸聲系數(shù)的影響
表4表明,143.3/102.5 g/m2倒梯度結(jié)構(gòu)的復合材料的吸聲系數(shù)最高,122.9/122.9 g/m2相同結(jié)構(gòu)復合材料的吸聲系數(shù)居中,102.5/143.3 g/m2正梯度結(jié)構(gòu)復合材料的吸聲系數(shù)最小,這論證了不同梯度結(jié)構(gòu)使得纖維氈的表面特征阻抗不一樣,造成最終材料的吸聲系數(shù)不一樣。
選擇纖維線密度為14.5 dtex,梯度結(jié)構(gòu)為143.3/102.5 g/m2(倒梯度)的2層棕櫚纖維氈,與PHBV、多孔粉煤灰陶粒按照質(zhì)量比分別為37.5∶57.5∶5和35∶55∶10熱壓制備成復合材料,測得各材料的吸聲系數(shù)如表5所示。
表5 多孔粉煤灰陶粒質(zhì)量分數(shù)對吸聲系數(shù)的影響
由表5可知:添加多孔粉煤灰陶粒后,復合材料的吸聲系數(shù)在500~1 000 Hz范圍內(nèi)較未添加的復合材料有顯著提升,表明添加多孔粉煤灰陶??筛纳撇牧系牡皖l吸聲性能;添加質(zhì)量分數(shù)為5%的多孔粉煤灰陶粒時,復合材料的吸聲系數(shù)較未添加時提高了19.7%,且其平均吸聲系數(shù)高于質(zhì)量分數(shù)為10%的復合材料。原因在于多孔粉煤灰陶粒自身為多孔結(jié)構(gòu),添加一定量時可與棕櫚纖維氈共同改善材料的吸聲性能;但添加過量時,其顆粒逐步占據(jù)復合材料內(nèi)部的空隙,造成孔隙率降低,空氣流動變少,使吸聲系數(shù)降低。
綜合上述實驗結(jié)果得出:棕櫚纖維氈與PHBV質(zhì)量比、棕櫚纖維氈面密度、多孔粉煤灰陶粒的添加主要通過改變孔隙率(φ)來影響吸聲系數(shù);棕櫚纖維線密度主要通過改變材料流阻(σ)來影響吸聲系數(shù);纖維氈梯度結(jié)構(gòu)主要通過改變材料表面聲阻抗(Z)來影響吸聲系數(shù)。棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料獲得最優(yōu)吸聲性能的工藝方案為:棕櫚纖維氈與PHBV的質(zhì)量比為40∶60,棕櫚纖維線密度為14.5 dtex,棕櫚纖維氈梯度結(jié)構(gòu)為143.3/102.5 g/m2,此時復合材料的吸聲系數(shù)為0.53,添加5%的多孔粉煤灰陶??墒箯秃喜牧系奈曄禂?shù)提高到0.66。后文均采用該優(yōu)化工藝制備的棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料進行進一步分析。
3.6.1 斷面形貌分析
縱向劈開后的棕櫚纖維及棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的斷面SEM照片如圖1所示??芍嚎v向劈開后的棕櫚纖維內(nèi)部存在著明顯孔隙與溝槽;吸聲復合材料的斷面粗糙不平,出現(xiàn)一些孔洞,說明該熱壓復合材料屬于多孔材料。
圖1 棕櫚纖維及棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的SEM照片
3.6.2 化學結(jié)構(gòu)分析
圖2 棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的紅外光譜圖
3.6.3 熱穩(wěn)定性分析
棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的TG和DTG曲線如圖3所示??芍簻囟刃∮?50 ℃時,吸聲復合材料未存在內(nèi)部結(jié)合水和物理吸附水的損失,原因在于熱壓工藝已完全將材料干燥;復合材料的熱解起始溫度為260~270 ℃(質(zhì)量損失率為5%時),其質(zhì)量損失速率最高可達2.2 mg/min,此時主要是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等主要成分發(fā)生熱解反應;350 ℃以后熱解過程進入炭化階段,此后復合材料的質(zhì)量損失速率近似保持水平直線。
圖3 棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的TG和DTG曲線
3.6.4 拉伸力學性能分析
棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的應力-應變曲線如圖4所示??芍貦袄w維氈/PHBV吸聲復合材料的拉伸強度約為36.3 MPa,斷裂伸長率約為3.4%,其拉伸強度高于黃麻吸聲復合材料的拉伸強度(一般為28.5~30.5 MPa[7])。原因在于棕櫚纖維的斷裂強度高于黃麻纖維[5],故其吸聲復合材料的拉伸性能也優(yōu)于黃麻。
圖4 棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料的應力-應變曲線
當前市場上黃麻吸聲復合材料平均吸聲系數(shù)為0.45~0.70[7],說明本文制備的棕櫚纖維氈/PHBV吸聲復合材料可部分替代黃麻纖維,以緩解當前黃麻原料相對緊缺的現(xiàn)狀。
棕櫚纖維氈/聚(3-羥基丁酸酯-co-3-羥基戊酸酯)(PHBV)熱壓復合材料的吸聲系數(shù)受原料質(zhì)量比、棕櫚纖維線密度、棕櫚纖維氈的面密度、棕櫚纖維氈的梯度結(jié)構(gòu)等影響,當棕櫚纖維氈與PHBV的質(zhì)量比為40∶60,棕櫚纖維線密度為14.5 dtex,棕櫚纖維氈梯度結(jié)構(gòu)為143.3/102.5 g/m2時,熱壓制備復合材料的平均吸聲系數(shù)為0.53,添加質(zhì)量分數(shù)為5%的多孔粉煤灰陶??墒蛊淦骄曄禂?shù)提高至0.66。棕櫚纖維氈/PHBV熱壓復合材料的斷面粗糙不平,存在孔洞,熱解起始溫度為260~270 ℃(質(zhì)量損失率為5%時),拉伸強度約為37.3 MPa。棕櫚纖維氈/PHBV熱壓復合材料的平均吸聲系數(shù)與黃麻吸聲復合材料相當,可部分替代黃麻制成汽車內(nèi)飾材料,緩解當前黃麻較為緊缺現(xiàn)狀。