聚氨酯材料代替木材制作乐器的研发与应用 （上）

宋恩辉

摘要：聚氨酯材料代替木材制作乐器的研发与应用是解决代用木材的途径之一，但因以其制作乐器的特殊属性，在应用的过程中集中精力考虑其传导共鸣载体的特点，要进行反复的配比测试和实践，以其达到真正能较好地代替木材用于乐器制作。本文以聚氨酯材料制作琵琶背板的研发经历来论述聚氨酯材料代替木材制作乐器的研发与应用。

关键词：聚氨酯材料  乐器制作  代替木材  浇注式琵琶背板

序

随着社会工业化水平不断提高，各类工业产品对木材的需求量快速增长。“十五”期间中国木材总消耗量在3亿立方米左右，除在造纸、建筑装饰、家具制品等行业之外，民族乐器制作同样需求大量木材作为原料。一般认为：木材所具有的通透性，柔韧性，最适合制作乐器，尤其是民族乐器。然而，木材在被人们广泛利用的同时，其供应量却远远满足不了国内刚需，国内木材的供需矛盾日益加重，导致制作民族乐器材料将日显匮乏。

根据国办发（2005）58号《关于木材节约和代用工作的意见的通知》的文件精神，乐海乐器公司自2019年起，由研发部申请立项，研发重点是可代替木材的乐器制作材料的实践与应用。本文以乐海乐器研发部用聚氨酯材料制作琵琶背板的技术研发为例，论述用聚氨酯材料代替木材制作乐器的可行性与技术要点。

一、代用木材的材料研发的现状

自1937年聚胺脂材料问世以来，得到各行业极为广泛的应用。但在开发应用其材料的着重点却有所不同。本文以乐器制作中节约自然资源、寻找代用木材的角度来论述聚氨酯材料作为代用木材进行乐器制作的研发工作为主线做以展开。寻求其在新材料、新工艺、新科技及成果研发与应用的积极作用，促进乐器工业的进步发展。[1]

1．回顾民族乐器木材原料处理的现状

民族乐器木材原料处理的周期比较漫长，从圆木开解，到板材加工生产的自然存放，到半成品料的清水浸泡、蒸汽烘干处理，到乐器制作成型要经过3～5年的周期，不仅需要耗费大量的人力，而且在木料的加工处理过程中容易出现木材收缩、开裂、变形等现象，在剔除疤节、瑕疵后制作成乐器、在乐器的加工制作过程中，木材的利用率不足50%，甚至有些乐器木材的使用率会更低，大量的木料在开解、加工过程中变成了锯沫、刨花，而民族乐器的腔体、部件等大多是不规则的异型。在加工的过程中，剔除疤节、劈裂等使得民族乐器在加工处理过程中的人工费用、处理成本、设备费用越来越高，木材利用率则更低。而这种利用率低的现状严重局限民族乐器的生产发展，不符合国家提出的生产节约规划的要求。

2．考虑急需研发代用木材材料的现实意义

根据当前乐器行业生产材料供需的现状，亟需寻找一种绿色的环保材料代替木材用于民族乐器的制作。当然其前提是要保证乐器音质为基础，以节约资源、环保节能，提高效率和促进发展为目标。关于聚胺脂材料应用于乐器制作，尤其材料作用于琴体传导、增加共鸣和保证音质效果等方面的技术资料及论述尚属空白，没有任何可借鉴参考的成功范例。因此，首先考虑在具体乐器琴体部分的材料研发将成为研发工作的焦点。我们认为这项研究是在具有时代发展形势下，促进乐器制作材料革新意义的一项研究。

3．以琵琶背板制作为例的研发实践目标确定

在我们探索新的材料应用的实践中，根据琵琶制作的特殊性——琵琶背板工作量最大，用料最多，是乐器制作材料供需矛盾的突出部分。我们的研发工作的第一步就是考虑研究几种备选新材料的材料特点及应用实践的可行性。工作方案是把琵琶其它部分如琵琶音板、琴轴、琴首依然采用桐木和硬杂木制作。设想以琵琶背板为攻关载体，即是用ABS工程塑料模具成型或用聚氨酯材料的调配试制代替木材用于琵琶制作，待取得阶段性研发成果和经验后，再进一步扩展研究内容。

二、新材料的研制实践

我们首选的材料是ABS塑料和聚氨酯材料，尝试利用这些材料作为新材料应用于琵琶背板制作的实践如下。

研发应用一：利用ABS塑料通过高压加热试制琵琶背板材料

1．我们根据琵琶背板的工艺尺寸要求，按其弧度设计制作出标准的琵琶背板模型，然后利用激光扫描完成琵琶背板的3D外形程序制作，按其3D外形加工完成ABS材料的浇注模具，模具制作完成后开始试制。我们把ABS材料进行混合，把混合好的ABS材料注入注塑机在高温、高压的环境下制作ABS材料的琵琶背板。

2．应用效果：琵琶背板是异形件，其背板边缘最薄处有15mm，背板最厚处有30～40mm，寬度为316mm。脱模后发现ABS塑料在厚薄不等时，厚度越大其收缩量也越大，或反之。收缩量的不一样，导致琵琶背板的表面出现了缩坑，凹凸不平。这种注塑收缩量的不均匀成为ABS塑料材料制作琵琶背板的瓶颈问题。试验了不同配比的ABS材料均不能满足琵琶背板的制作工艺要求。

研发应用二：利用聚氨酯材料试制琵琶背板的研发实践

我们从市场上购买了聚氨酯材料，把A料和B料各称重200克，按1：1的比例混合在一起，倒入一个准备好的圆桶中，5分钟后观察两种材料发生剧烈反应，体积迅速膨胀，体积膨胀率达到了300%，冷却后观察：聚氨酯的混合材料出现了不均匀的气泡，按其体积、重量测算其密度不足0.2g/cm?，而演奏者对琵琶重量的要求是3500～4000g较为适宜、按琵琶背板的体积计算，聚氨酯材料的密度要控制在0.65～0.85g/cm?左右才能和一般的木材密度一致、以满足演奏者对琵琶背板的重量要求。

三、应用聚氨酯材料的模具研制与浇注工艺

在研发的材料与应用数据整理的研发工作中，研发的失败促使我们更大范围地查阅资料，请教聚氨酯材料厂家的师傅，了解聚氨酯材料的基本特性。通过调节聚氨酯的浇注量及添加发泡剂的多少，生产出不同密度的聚氨酯材料、于是我们按照聚氨酯材料的硬泡工艺，根据琵琶背板的密度需求，利用聚氨酯材料韧性强、密度可根据材料浇注量调整的特性，再次利用聚氨酯浇注成形的特点试制琵琶背板，开始进行了模具制作工艺的研发，从而进入了新材料研发应用的最基础最具针对性的技术研发阶段。

1．用聚氨酯制作琵琶背板的浇注成型模具研发。根据琵琶结构的特性要求，我们用聚氨酯材料制成的琵琶背板开口近似半梨形状，其背板开口沿的内边上部设有供音板侧边卡卧其内的凹槽，背板的上端边设有榫头，琴头夹杆的下端与榫头连接以此作为琵琶制作的基本方案，然后开始制作聚氨酯琵琶背板的铝合金浇注模具。

2．研发模具所考虑的问题处理。聚氨酯材料在制作时会产生二氧化碳（CO2）氣体，需要预留放气孔排气，设定在模具的顶部及模具边缘处预留5～8个气孔。为保障聚氨酯琵琶的手感舒适及琵琶背板脱模后注件的光洁度，对琵琶浇注模具里膛进行打磨抛光，使其光洁度满足琵琶生产的工艺要求，为预防聚氨酯材料反应时体积膨胀所产生的反作用力、避免模具受力变形，故设定聚氨酯琵琶浇注模具的主体材料使用铝合金材料以满足聚氨酯琵琶的生产需求。

3．利用聚氨酯硬泡材料制做琵琶背板注件的方法

（1）准备阶段：准备聚氨酯发泡设备、组合主料和背板模具；组合主料由下述重量份的A、B组份材料组成。

A组份材料：聚醚多元醇100份、其中3官能聚醚40～60份，高官能聚醚40～60份，催化剂0.3～0.8份，去离子水0.3～0.6份，色浆1.0～1.5份；

B组份材料：纯MDI 42～48份， 聚合MDI32～38份，MDI50为17～23份合计100份。

（2）依次序将A组份材料加入混合罐中，罐温保持22～25℃，转速80～120转/分钟，进行均匀搅拌，搅拌混合4～8小时后，静置12小时，将静置后的A组份料加入到高压聚氨酯浇注机A组份料罐中氮封开启低压循环20分钟后，高压循环10分钟，得A料。

（3）依次序将加温至45℃的B组份材料加入混合罐中，罐温保持恒温40～45℃，转速60～80转/分钟，进行均匀搅拌，搅拌混合1～2小时后，静置1小时，将静置后的B组份料加入到高压聚氨酯浇注机B组份料罐中氮封开启低压循环20分钟后，高压循环10分钟，得B料。

（4）AB料混合胶液。按A料羟值，B料NCO含量计算理论合适比例，计算出一个产品体积比、重量比，取A料、B料的体积比为1：0.88；测得A料比重1.23，B料比重1.08；取A料、B料的重量比为1：1。

根据体积、注料量、制品密度的关系原理，大约测量出产品的体积，再根据一个产品密度要求，计算出注料重量，根据液比求得A、B料分别的重量。

（5）高压注胶机调整。①做吐出测试，分别打开储存A、B料的混合罐中的计量阀，设定统一时间、压力，计量吐出胶液量，并根据计量吐出胶液量调整，使吐出A、B料胶液量的重量比为1：1；②进行吐出胶液量验证，将吐出胶液量置验证容器，观察起发速度和混合状态是否符合制备要求，合格可进行模具浇注程序。

（6）模具加热。将模具进行水浴加热，加热至55～65℃，并保持恒温，同时将模具的模腔清理干净，在模腔内喷涂水性脱模剂，喷涂计量控制在5～8g/m?，将模具关合、气缸压力控制在4兆帕以上。

（7）灌注工序。①检测机器、模具、聚氨酯液均符合要求，开始灌注，设定所需胶液量，将高压聚氨酯浇注机的注射枪头插入模具注料口，启动灌注按键将胶液在20s内全部注入模具中，迅速拔出注胶枪，将模具注胶口封堵关闭；②启动模具固定夹具调整角度为直立，静置8～10分钟后，待聚氨酯液熟化稳定后取出产品，利用修边工具清理产品边角毛边及排气孔，将做好的产品放置到恒温室进行后期定型固化，完成聚氨酯琵琶背板的制作。在聚氨酯琵琶背板的制作品中可根据添加发泡剂的量和聚氨酯材料的注入量来实现其密度的改变，填充量越大其密度也越大。

（8）浇注件表面气泡的控制。在聚氨酯琵琶背板的浇注过程中，经常会出现浇注件表面出现气泡，其原因是在聚氨酯AB料的反应过程中产生一定量的CO2，当CO2不能及时排出模具时，占据一定的模具空间就形成了气泡，气泡一般大多集中在琵琶背板的边角及模具的最高位置处，给琵琶的后期制作带来麻烦，为了解决琵琶背板表面的气泡问题，我们尝试在聚氨酯混合料浇注时调整模具角度，使其所产生的CO2气体通过模具预先设定的气孔顺利排出，确保聚氨酯浇注件的表面光洁度，保证后期琵琶制作的演奏手感。

参考文献：

[1]邓明（转载）《聚氨酯仿木材料的前世今生》互联网PU空间，2018年8月20日转[R]

（待 续）