木粉与相容剂含量对木塑复合材料声学振动性能的影响

刘镇波，李晓君，于云鹏，万珂，郝骞，王艺达，王辰希

(东北林业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150040)

0 引言

在乐器领域中，木材是制作乐器的首选材料，但我国珍贵木种资源紧缺，且在传统的木材行业制作乐器过程中很难做到对木质资源的充分利用。在乐器用材的发展过程中，科研工作者针对木材的声学性能，通过物理、化学等方式对木材功能性进行改良[1-2]，有些科研工作者针对乐器的用材要求在复合材料的制备形式、过程中进行实验[3]。木塑复合材料作为一种新型环保材料，在家具、汽车、包装中都有广泛的应用[4-5]，目前国内外针对木塑复合材料的制备方法、力学性能等方面进行了诸多的研究[6-7]。研究发现聚乙烯被广泛应用制备木塑复合材料[8]，木材-聚乙烯复合材料的力学性能较为优异，目前国内外还没有针对木塑复合材料制备乐器用材增强声学性能研究的相关报道。由于木塑复合材料内含木质纤维，在与塑料充分混合后，具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，密度一般是木材的2倍[9-10]。木塑材料及其产品与木材相比，可抗强酸碱、耐水，并且不繁殖细菌，不易被虫蛀。使用寿命长，可达50 a以上。木塑复合材料环保性能好，废物完全可回收。木塑复合材料可以根据不同用途，压制或挤出成任意形状和尺寸。杨木是一种速生材，质轻，但强度高，弹性较好，具有适应性广、年生长期长和生产速度快等特点，我国南方及北方均有广泛的种植，杨木资源较为丰富。另外杨木加工起来非常方便，杨木的使用非常广泛，是全球众多国家与地区非常重要的工业原料。木塑复合材料中木粉的含量、木粉与塑料相容的程度会影响木塑复合材料的物理性能，通过调整木塑复合材料中不同木粉含量、不同相容剂含量的实验方案，在保证材料的声学振动效果前提下，将木塑复合材料的优点与木材结合，研究木塑复合材料的声学振动性能，有利于在乐器用材领域开发新材料。因此，本文采用杨木-聚乙烯复合材料作为研究对象，探讨不同木粉含量、不同相容剂含量木塑复合材料的制备对复合材料声学振动性能的影响，以探索木塑复合材料应用于乐器共鸣板的可能性。

1 材料与方法

1.1 使用材料

昆仑聚乙烯树脂PE，LA，50D012(5000S)，中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司；东北林业大学自制混合杨木粉(以下简称为木粉)40～60目；佳易容聚乙烯(MAPE)，南通日之升高分子新材料科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 木塑复合材料制备

(1)不同木粉含量木塑复合材料制备

将木粉放入电热恒温鼓风干燥箱中103 ℃干燥24 h。把干燥好的木粉与PE、MAPE按表1混合后放入双螺杆配混挤出机中混炼适粒，混好后粉碎。使用30 cm×16 cm模具铺料，放入BL-6170-D-1001型热压机中，热压温度140 ℃，加热预压时间为5 min，加压时间为10 min，加压压力为5～7 MPa。将压制成型的木塑复合材料锯裁成40 mm×300 mm的长条形试件。根据已有对木粉含量的研究[11-12]，确定木粉含量(质量分数)为60%、65%、70%、80% 4个水平，进行6组平行实验，共计24份样品。

表1 实验材料数据

(2)不同相容剂含量木塑复合材料制备

确定木粉含量为65%，即木粉含量为65%、PE含量为35%，根据已有对MAPE用量的研究[13]，选择MAPE用量为木粉含量的 3%、5%、7%、9% 4个水平，进行6组平行实验，共计24份样品。

1.2.2 木塑复合材料声学振动性能测定

木塑复合材料的声学振动性能优劣可以从其振动效率、声辐射能力、频率响应特性及音色等方面体现，主要指标为：声阻抗(ω)、对数衰减率(δ)、比动弹性模量(E/ρ)、声辐射品质常数(R)。

根据梁的振动理论，按照弯曲振动的试验方法，采用复合材料试件两端自由的边界条件，用双通道快速傅里叶变换频谱分析仪(CF-5220Z)测定木塑复合材料的各项声学振动参数[14]。

2 结果与分析

2.1 木粉含量对声学振动性能的影响

分析木粉含量对木塑复合材料各项声学振动性能参数的影响，结果如图1所示。

声阻抗(ω)是说明在介质中因为力学的扰动导致某一位置质点变化的阻尼特性[15]。在振动时，ω越小，表明材料的振动效果越好。从图1(a)可以看出，4组试件在声阻抗性能测试中，前3组参数相当，第4组差异较大，但都在2.3～3.1 Pa·s/m。在木粉含量为80%的试件ω最大，为3.09 Pa·s/m。木粉含量为60%的试件声ω最小，为2.45 Pa·s/m。通过实验可以发现，木粉与PE的比例越小，ω越小，材料的振动效果越好。

对数衰减率(δ)是材料在受到冲击或周期性的振动后，在相邻连续振动周期振幅之比的自然对数。δ越低的木材，振动衰减速度慢，有利于乐器声音的余韵饱满，较适合制作乐器的共鸣板[2]。通过实验可以发现，木粉含量所占比例不同会对木塑复合材料的声学振动性能造成影响。随着木粉含量的增加，木粉与PE的融合性下降，且聚乙烯材料的声学振动性能较差，衰减效果差[16]，而木粉的加入使木塑复合材料的δ下降。所以，木粉含量的增加会对木塑复合材料的声学振动参数δ产生影响。试样的木粉含量与δ之间的关系如图1(b)所示。图1(b)中4组试件的δ呈现较明显的差异，其中第2组的δ最小，其他3组的δ相差不大。δ可以反映材料的振动衰减频率，当材料的振动衰减频率低时，有利于保持一定的余音，使乐器的声音饱满。

图1 木粉含量对木塑复合材声学振动性能的影响

比动弹性模量是表示木材顺纹方向细胞壁的平均动弹性模量(E/ρ)[15]。在木塑复合材料中，木粉含量会对材料的力学性能有很大的影响[10]。从图1(c)可以看到，第4组试件的E/ρ最大，这与其密度有一定关系，密度越小，E/ρ越大，材料的振动效率越高[15]。而前3组相差不大，这可能是由于接近的木粉含量导致试材的密度差异小。当增加木粉含量时，木粉之间的间隙减小，而木粉中树脂等物质存在相当于增强了木粉之间的黏合力。木粉含量增多，木粉间相互交联、缠绕，木塑复合材料的力学性能提高[10]。

通过以上实验数据可以发现，随着木粉含量的增加，木塑复合材料的声阻抗性能下降，这可能是因为在木塑复合材料中，木粉与塑料的融合程度随木粉含量增加而变差，导致声阻抗数值增加，振动效果下降；木塑复合材料的对数衰减率增加，但在木粉含量为65%时达到最低值且与其他3组有明显差别，这可能是由于木粉与塑料比例在65∶35时，木粉与塑料的融合效果更好，木塑复合材料更加均匀，在测试时表现出较慢的衰减情况，木塑复合材料的比动弹性模量增加，这是由于木材在木塑复合材料中承担更多的受力，木塑复合材料的力学性能随木粉含量的增加会有一定程度的提高；木塑复合材料的声辐射品质常数近似，但在木粉含量为65%时达到最高，这可能是由于木粉含量为65%时，其密度较小，且相较于60%的木粉含量相容剂起到了更好的作用，木粉与塑料之间的融合性更强。所以当木粉含量占比在65%时，振动衰减率最低、声辐射品质常数最大，这种情况下振动能量损失较小，振动效率高，综合来看各项声学振动指标更好。

2.2 佳易容聚乙烯(MAPE)含量对声学振动性能的影响

相容剂是一种高分子偶联剂，是高分子反应间的助剂。主要帮助2种或2种以上的高分子共混，通常是将极性和非极性聚合物混合。相容剂的存在使聚合物之间黏结力变强，有利于复合材料结构的稳定[17]。通过木粉含量变化对木塑复合材料声学性能的影响分析，在65%木粉含量的基础上选择改变相容剂含量，进行平行实验，分析木材声学性能变化，结果如图2所示。

图2 不同相容剂含量对木塑复合材声学振动性能的影响

从图2可以看出，不同相容剂含量对木塑复合材料声阻抗影响不大，如图2(a)所示，4种不同相容剂含量的木塑复合材料的声阻抗值接近，声学振动效果相同；而更改相容剂含量对木塑复合材料的对数衰减率影响较大，如图2(b)所示，相容剂由于本身存在可以与2种聚合物进行物理或化学结合的基团，使复合材料更好地融合，而材料的声衰减系数则考虑到材料表面的振动效果，材料表面越平整，表面融合程度越高，材料的声学振动效果会越好。相容剂含量的变化对木塑复合材料的比动弹性模量和声辐射品质常数影响程度较小，如图2(c)和(d)所示，这可能是因为MAPE会降低塑料合金的热变形温度，易使共混组分产生一些不需要的交联和降解，使铺模后的部分材料反应不完全导致了细微的差异[18]，且相容剂含量只占木粉含量的3%～9%，对材料密度影响较小，声辐射能变化少，获得的声音音量变化差距小，振动效果相似。

综合图2来看，不同相容剂含量对木塑复合材料的声阻抗值影响不大。当相容剂含量为7%时，木塑复合材料的对数衰减率最小，考虑此时木塑复合材料中木粉与塑料融合性最好，材质均匀，振动衰减慢，声学效果好；在添加相容剂3%～9%过程中，木塑复合材料的比动弹性模量和声辐射品质常数受相容剂含量影响差别不大，在相容剂含量为7%和9%时木塑复合材料的比动弹性模量较相容剂含量为3%和5%时数值高，可能是随着相容剂含量的增加，木粉与塑料界面相容性增强，获得更好的比动弹性模量。而由于相容剂含量从3%增加至9%的4组实验中，试样密度值接近，声辐射品质常数接近。所以在相容剂含量为7%，木塑复合材料有更低的对数衰减率，较高的比动弹性模量，可以获得更好的声学效果。

2.3 木塑复合材料与已有研究的音板材比较

2.3.1 与美国西加云杉比较

为探究木塑复合材料能否与传统乐器用音板相比，选择声学性能较优的木粉含量65%，MAPE含量7%试件与刘镇波[19]测定的美国西加云杉的数据进行对比。当木粉含量为65%、MAPE含量为7%和9%时，木塑复合材料的声阻抗2.21 Pa·s/m和2.22 Pa·s/m与常用音板材料美国西加云杉的声阻抗(2.20 Pa·s/m)相当，振动效率高。其中MAPE含量7%的木塑复合材料更接近美国西加云杉，音色效果更好。但木塑复合材料的比动弹性模量(3.56 GPa·cm3/g)低于美国西加云杉比动弹性模量(25.98 GPa·cm3/g)。通过实验观察，木塑复合材料密度远高于乐器常用木材，这导致木塑复合材料的比动弹性模量低。比动弹性模量是决定乐器材振动与机械性能的重要参数[20]，后续研究应更加注重如何提高木塑复合材的比动弹性模量，降低木塑复合材料的密度。

2.3.2 与木质碳纤维复合材料、木质-玻璃纤维复合材料比较

与张元梓等[3]制备的木质碳纤维复合材料相比，木塑复合材料的对数衰减率均小于木质碳纤维复合材料。其中，MAPE含量占木粉含量7%时的对数衰减率最小为0.014，小于木质碳纤维复合材料的0.021。对数衰减率越低，振动衰减速度越慢，乐器声音的余韵越饱满。

与林斌等[21]制备的木质-玻璃纤维复合材料相比，木塑复合材料的R均低于木质-玻璃纤维复合材料。木塑复合材料的R为1.61(m3/(Pa·s3))，低于木质-玻璃纤维复合材料R(6.48 m3/(Pa·s3))。R与材料的密度有密切关联，应选择密度更小，动弹性模量更大的材料，才能获得更高的声辐射品质常数，获得声音明亮的音板。

3 结论

通过本研究可得出以下结论。

(1)木粉含量对木塑复合材料的声学性能有一定的影响，综合多个参数进行比较分析，当木粉含量为60%、70%和80%时，木材的声学振动效果整体来看较弱，在木粉含量为65%时，木塑复合材料的声学参数较优。

(2)相容剂的含量对木塑复合材料的影响主要为表面融合效果，体现在声学振动性能即对数衰减率变化较大，除相容剂含量7%外，其他比例相容剂对数衰减率较高。

(3)木塑复合材料制备实验中声学振动性能较良好的实验组与作为对照的云杉属木材相比，声阻抗、对数衰减率的性能足以媲美乐器材；但在比动弹性模量、声辐射品质常数上还有一定的差距，可以考虑在改善木塑复合材料密度的角度进行乐器用木塑复合板材的相关研究。