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。

1 Johnson-Allard 模型分析

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。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

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。

2.2 試樣的制備

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 測試與表征

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。

3 結(jié)果與討論

3.1 棕櫚纖維氈與PHBV質(zhì)量比對吸聲系數(shù)影響

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。

3.2 棕櫚纖維氈面密度對吸聲系數(shù)的影響

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。

3.3 棕櫚纖維線密度對吸聲系數(shù)的影響

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。

3.4 棕櫚纖維氈梯度結(jié)構(gòu)對吸聲系數(shù)影響

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。

3.5 多孔粉煤灰陶粒對吸聲系數(shù)的影響

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 吸聲復合材料的結(jié)構(gòu)和性能分析

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。

4 結(jié) 論

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。