木塑復(fù)合材料的隔聲性能研究

魏亞兵, 姚躍飛, 虞華東, 孫礦華, 劉 蘭

(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, 杭州 310018)

木塑復(fù)合材料的隔聲性能研究

魏亞兵, 姚躍飛, 虞華東, 孫礦華, 劉 蘭

(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, 杭州 310018)

制備不同目數(shù)的木粉、不同木粉含量、不同偶聯(lián)劑含量以及不同硫酸鋇含量的木塑復(fù)合材料,對(duì)材料的隔聲性能進(jìn)行研究。測(cè)試復(fù)合材料進(jìn)行隔聲性能、結(jié)構(gòu)形態(tài)的SEM等,結(jié)果表明:在相近面密度條件下,木粉的目數(shù)和木粉含量的變化主要對(duì)木塑復(fù)合材料高于1 250 Hz頻區(qū)的隔聲量產(chǎn)生影響;偶聯(lián)劑的加入在整個(gè)頻段內(nèi)對(duì)材料的隔聲量影響都不大;加入硫酸鋇可在保證材料隔聲性能的同時(shí)降低材料的厚度。與面密度相近的使用相同基礎(chǔ)配方制備的PVC塑料板材相比,木塑復(fù)合材料在高于2 000 Hz頻段表現(xiàn)出了更好的隔聲性能。

PVC; 木粉; 隔聲性能; 木塑復(fù)合材料

0 引 言

木塑復(fù)合材料(WPC)是指由木纖維或植物纖維對(duì)熱塑性樹脂進(jìn)行填充改性的一類新型復(fù)合材料,通過(guò)擠出、熱壓或注塑等方式加工成型[1]。這種材料兼?zhèn)淞四静呐c塑料各自的優(yōu)良性能,具有機(jī)械性能高,不易開裂變形,防蟲蛀防潮、耐酸堿耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)其原材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉,材料自身可重復(fù)回收利用,在保護(hù)森林資源、減少環(huán)境污染方面具有良好的社會(huì)和生態(tài)效益,是一種新型的綠色環(huán)保材料[2-3]。

目前對(duì)木塑復(fù)合材料進(jìn)行的研究有很多。秦楠[4]探討了加工因素對(duì)木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響;方露等[5]總結(jié)了幾種不同類型的阻燃劑對(duì)木塑復(fù)合材料阻燃性能和力學(xué)性能的影響;李東方等[6]對(duì)木塑復(fù)合材料的界面理論和界面性能改善的方法進(jìn)行了介紹。隨著越來(lái)越多的木塑復(fù)合材料應(yīng)用到建材領(lǐng)域[7]和人們對(duì)城市噪聲問(wèn)題關(guān)注度日益提高[8],對(duì)木塑復(fù)合材料隔聲性能的研究變得尤為必要。本文主要針對(duì)木塑復(fù)合材料的隔聲性能進(jìn)行研究探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚氯乙烯樹脂(PVC,白色粉末,杭州電化集團(tuán)有限公司,SG5型)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP,透明油狀液體,杭州金生塑化有限公司)、環(huán)氧大豆油(ESO,淺黃色粘稠油狀液體,浙江桐鄉(xiāng)市嘉澳化工有限公司)、氯化石蠟(CP-52型,淡黃的粘稠液體,玉明化工有限公司)、鋇鋅穩(wěn)定劑(黃色清澈液體,杭州東旭助劑有限公司)、木粉(市售)、偶聯(lián)劑(KH-550,杭州米克化工有限公司)、硫酸鋇(300目,富陽(yáng)市奈比特礦粉有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SHR-5A型高速混合機(jī)(青島瑞利儀器設(shè)備有限公司);SK160-B型電加熱型雙輥筒開煉機(jī)(上海第一橡膠機(jī)械廠);XLB 25-D型平板硫化機(jī)(浙江雙力集團(tuán)星力橡膠機(jī)械制造公司;JSM-5610LV型掃描電鏡(日本電子JEOL公司);BSWAVS302USB雙聲道聲學(xué)分析儀(北京聲望聲電技術(shù)有限公司)。

1.3 木粉預(yù)處理

1.3.1 不同目數(shù)木粉的篩選

使用對(duì)應(yīng)目數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)篩分別篩選出一定量的20、40、60、80目木粉,置于80℃烘箱中烘燥8 h,取出裝入密封袋備用。

1.3.2 木粉的表面處理

將硅烷偶聯(lián)劑與無(wú)水乙醇按1∶5的體積比配成溶液,均勻噴灑在經(jīng)干燥處理過(guò)的木粉上,放入高速混合機(jī)內(nèi)攪拌均勻,取出烘干,裝入密封袋備用。

1.4 試樣制備

將聚氯乙烯樹脂、DOP、ESO、氯化石蠟及鋇鋅穩(wěn)定劑按質(zhì)量比100∶10∶6∶6∶2的比例均勻混合,再將混合料與按表1預(yù)處理過(guò)的木粉和硫酸鋇放入高速混合機(jī)中混合50 min。將混合完全的粉料使用雙輥開煉機(jī)塑化成片,本實(shí)驗(yàn)開煉機(jī)溫度選擇為145℃。最后將開煉塑化好的片材放入模具,經(jīng)175℃的平板硫化機(jī)用5.5 MPa壓力加壓10 min壓制成型。取出試樣冷卻至室溫。由于面密度(即材料單位面積所具有的質(zhì)量)對(duì)材料的隔聲性能影響較大[9],故所制備代表試樣具有相近的面密度。實(shí)驗(yàn)試樣的具體規(guī)格參數(shù)參照表1。

注:表中的份數(shù)都是以PVC質(zhì)量份數(shù)100為基準(zhǔn);17號(hào)試樣為相同基礎(chǔ)配方條件下制備的未添加木粉的PVC塑料板材。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 微觀形貌觀察

將待測(cè)試樣先在液氮中低溫脆斷,再對(duì)斷面進(jìn)行噴金處理,噴金時(shí)間50 min。使用日本JSM-5610LV型掃描電鏡對(duì)木塑復(fù)合材料斷面的微觀形貌進(jìn)行觀察。實(shí)現(xiàn)木粉的高填充量一直是木塑復(fù)合材料的研究重點(diǎn)[10],實(shí)驗(yàn)選擇了木粉填充量為100份時(shí)制備的木塑復(fù)合材料為對(duì)比材料,來(lái)分別研究偶聯(lián)劑的添加和硫酸鋇的添加對(duì)木塑復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1.4.2 試樣的隔聲性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 19889.3—2005、GB/T 19889.10—2006建筑及建筑構(gòu)件的隔聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)試樣進(jìn)行隔聲性能測(cè)試。試樣的背襯為空氣。靜音箱體積為1 m×1 m×1 m,測(cè)試樣板的面積為25 cm×25 cm,使用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),選擇粉紅噪聲源和1/3倍頻程。聲望VS302USB系統(tǒng)、功率放大系統(tǒng)與無(wú)指向性聲源按圖1連接。

測(cè)試時(shí),先測(cè)量未放置試樣時(shí)噪聲的自由衰減量及原始聲壓級(jí)降。然后再將試樣固定于測(cè)試空上,測(cè)量此時(shí)噪聲的總衰減量和總聲壓級(jí)降。試樣的實(shí)際衰減量為總衰減量減去自由衰減量;試樣對(duì)噪聲的實(shí)際聲壓級(jí)降為總聲壓級(jí)降減去原始聲壓級(jí)降。最后采用Spectra LAB的聲學(xué)軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差,不同配方的試樣各取5塊進(jìn)行隔聲測(cè)試,取最終的平均值用于實(shí)驗(yàn)的分析研究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 木塑復(fù)合材料的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖2-圖4為木塑復(fù)合材料橫向截面的掃描電鏡照片。由圖2可以看出,使用未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的木粉制備的木塑復(fù)合材料在基體樹脂與木粉之間存在明顯空腔,說(shuō)明木粉與基體樹脂的相容性不是很好。而圖3中使用經(jīng)偶聯(lián)劑處理過(guò)的木粉制備的木塑復(fù)合材料顯示基體樹脂對(duì)木粉實(shí)現(xiàn)了良好包覆,說(shuō)明加入適量偶聯(lián)劑可以改善材料的界面相容性。圖4為使用未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的木粉與基體樹脂以及加入100份的硫酸鋇制備的復(fù)合材料的截面圖,在斷面內(nèi)仍可以看到空腔,說(shuō)明硫酸鋇的加入對(duì)復(fù)合材料界面改善作用較小,但硫酸鋇可與基體樹脂良好結(jié)合。

2.2 木粉目數(shù)對(duì)木塑復(fù)合材料隔聲性能的影響

圖5為相近面密度條件下使用不同目數(shù)的木粉制備的木塑復(fù)合材料和對(duì)比試樣PVC塑料板材的隔聲曲線。由圖5可以看出,木塑復(fù)合材料和PVC板材的隔聲曲線變化趨勢(shì)都符合單層勻質(zhì)密實(shí)墻的隔聲頻率特征[9],即材料在小于1 250 Hz的頻區(qū)內(nèi)主要受質(zhì)量定律影響,隔聲量隨材料自身面密度的增加而增加。由于實(shí)驗(yàn)所選試樣的面密度相近,故材料的隔聲量在這段頻區(qū)內(nèi)相差不大。隨著頻率的增加,材料隔聲曲線在2 000 Hz左右出現(xiàn)一個(gè)吻合谷,隔聲量會(huì)有一個(gè)較大降低。且由圖5還可以看出,實(shí)驗(yàn)使用木粉的目數(shù)越高,木塑復(fù)合材料在吻合谷處的隔聲量越低。木塑復(fù)合材料的隔聲量在高于1 250 Hz頻區(qū)內(nèi)隨著使用木粉目數(shù)的增大逐漸下降。這是因?yàn)槁暡ㄔ趥鞑ミ^(guò)程中遇到障礙物會(huì)發(fā)生繞射現(xiàn)象[10],而障礙物尺寸越大,繞射現(xiàn)象越不明顯。木塑復(fù)合材料中的木粉分散于基體樹脂之中,當(dāng)聲波在基體樹脂中傳播時(shí)遇到的木粉的粒徑越大,聲波越難以繞射,需要實(shí)現(xiàn)在不同介質(zhì)間的傳播,聲波在不同介質(zhì)的界面間會(huì)形成反射,對(duì)聲能量會(huì)產(chǎn)生損耗。所以木粉粒徑越大,木塑復(fù)合材料的隔聲性能越好。同時(shí)由圖5可以看出,隨著木粉目數(shù)的增加,復(fù)合材料在高于1 250 Hz頻段的隔聲量逐漸下降,但都要高于未添加木粉的PVC塑料板材,尤其在大于2 000 Hz頻段更為明顯。

2.3 木粉含量對(duì)木塑復(fù)合材料隔聲性能的影響

圖6為相近面密度條件下不同木粉填充量的木塑復(fù)合材料和PVC板材的隔聲曲線。從圖6可以看出,隨著木塑復(fù)合材料中木粉含量的增加,材料的隔聲量在小于1 250 Hz的頻段范圍內(nèi)變化較小,這主要是因?yàn)閷?duì)于單層勻質(zhì)隔聲材料,在小于1 250 Hz頻區(qū)材料隔聲量主要是受自身面密度影響,在面密度相近的情況下,材料在該頻段隔聲量變化不明顯;在大于1 250 Hz頻區(qū)內(nèi)材料隔聲量逐漸降低,這是因?yàn)殡S著木塑復(fù)合材料中木粉含量增加,在相同面密度條件下材料中基體樹脂含量相對(duì)減少,對(duì)木粉的包覆也就愈加不完全,木粉由于表面氫鍵作用容易產(chǎn)生團(tuán)聚,導(dǎo)致在木粉與基體樹脂之間和木粉與木粉之間都存在縫隙,當(dāng)聲波在復(fù)合材料中傳播時(shí)更加容易透射。同時(shí)與面密度相近的使用相同基礎(chǔ)配方制備的PVC板材對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),木塑復(fù)合材料的隔聲量在大于1 250 Hz頻段都要高于PVC塑料板材,尤其在高于2 000 Hz頻區(qū)表現(xiàn)更為明顯,在小于1 250 Hz頻段內(nèi)兩種材料由于面密度相近隔聲量相差不大。

2.4 偶聯(lián)劑含量對(duì)木塑復(fù)合材料隔聲性能的影響

偶聯(lián)劑可用來(lái)改善木塑復(fù)合材料界面相容效果,結(jié)合圖2與圖3可以看出,在添加偶聯(lián)劑后的木塑復(fù)合材料中基體樹脂對(duì)木粉的包覆更為完全。圖7為相近面密度條件下的不同偶聯(lián)劑使用量的木塑復(fù)合材料的隔聲曲線。由圖7可以看出,在保持復(fù)合材料基礎(chǔ)配方不變的情況下,偶聯(lián)劑的加入對(duì)木塑復(fù)合材料在整個(gè)頻段隔聲性能的影響不大。材料的隔聲曲線依舊符合單層勻質(zhì)墻體隔聲曲線走勢(shì)。復(fù)合材料在小于1 250 Hz頻區(qū)由于材料面密度相近隔聲量變化不大,在大于1 250 Hz頻區(qū)隔聲量略有變化,但變化規(guī)律不明顯。初步推斷是偶聯(lián)劑的加入可以改善木粉與基體樹脂之間的界面相容性,使基體樹脂對(duì)木粉包覆更充分,減少了木塑材料界面間的空隙,從而對(duì)聲波在材料內(nèi)部的透射產(chǎn)生了影響。但由于木塑復(fù)合材料配方中木粉的目數(shù)和木粉含量的變化都很小,故復(fù)合材料的隔聲量整體變化不大。同時(shí)與面密度相近的基礎(chǔ)配方相同的PVC塑料板材相比,可以發(fā)現(xiàn)木塑復(fù)合材料在大于2 000 Hz頻段明顯具有更為優(yōu)良的隔聲效果。

2.5 硫酸鋇含量對(duì)木塑復(fù)合材料隔聲性能影響

硫酸鋇作為重質(zhì)材料可被應(yīng)用于改善復(fù)合材料隔聲性能[11]。對(duì)比圖2和圖4可以看出,硫酸鋇的添加對(duì)復(fù)合材料界面性能改善作用不大,但硫酸鋇可與基體樹脂良好粘結(jié)。圖8為相近面密度條件下不同硫酸鋇填充量的木塑復(fù)合材料的隔聲曲線。從中可以看出,復(fù)合材料在小于1 250 Hz頻段與未加入硫酸鋇的木塑材料相比隔聲量變化不大。而經(jīng)硫酸鋇填充過(guò)的木塑復(fù)合材料的隔聲量在高于1 250 Hz區(qū)域有一定程度的提高,但變化的規(guī)律不顯著。結(jié)合表1可以看出,隨著硫酸鋇填充量的增加,木塑復(fù)合材料厚度逐漸降低。說(shuō)明硫酸鋇的加入可以使材料在具備一定隔聲性能的同時(shí),降低材料自身厚度,提高了材料的實(shí)際加工使用性能。同時(shí)經(jīng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn),在相近面密度條件下經(jīng)硫酸鋇填充過(guò)的木塑復(fù)合材料在大于2 000 Hz頻段明顯具有比PVC塑料板材更高的隔聲量。

3 結(jié) 論

a) 木塑復(fù)合材料中木粉與基體樹脂之間界面相容性差,加入偶聯(lián)劑可以對(duì)材料的界面相容性進(jìn)行改善。在復(fù)合材料中添加一定質(zhì)量比例的重質(zhì)粒子硫酸鋇,對(duì)材料界面改善效果不明顯,但硫酸鋇可以與基體樹脂良好結(jié)合。

b) 在面密度相近的條件下,隨著填充木粉目數(shù)的增大,木塑復(fù)合材料的隔聲量在大于1 250 Hz頻區(qū)逐漸遞減,在小于1 250 Hz頻段變化則相對(duì)較小。

c) 對(duì)于面密度相近的木塑復(fù)合材料,隨著木粉填充量的增加,復(fù)合材料的隔聲量在小于1 250 Hz的中低頻段變化不明顯,在高于1 250 Hz頻區(qū)則逐漸降低。

d) 偶聯(lián)劑的加入對(duì)材料在整個(gè)頻段的隔聲量影響都不大。

e) 在面密度相近的條件下,加入硫酸鋇可以在保證材料具有一定隔聲性能的同時(shí),降低材料厚度,提高了材料加工使用性能。

f) 在相近面密度條件下,木塑復(fù)合材料相對(duì)于使用相同基礎(chǔ)配方制備的PVC塑料板材隔聲性能更為優(yōu)良,尤其是在大于2 000 Hz頻段表現(xiàn)得更為明顯。

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(責(zé)任編輯： 張祖堯)

Research on Sound Insulation Property of Wood-Plastic Composite

WEI Ya-bing, YAO Yue-fei, YU Hua-dong, SUN Kuang-hua, LIU Lan

(Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology of Ministry of Education,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Wood-plastic composites were prepared with different quantity of wood flour, different wood flour content, different coupling agent content and different content of barium sulfate to research sound insulation property of wood-plastic composites. SEM test was done for sound insulation property and structural morphology of composites. The result shows that: under the similar surface density, changes in the quantity of wood flour and wood flour content mainly influence sound reduction index of wood-plastic composite in the high-frequency region (over 1 250 Hz); the coupling agent has little influence on sound reduction index of wood-plastic composite in the whole frequency band; the addition of barium sulfate can reduce the thickness of the composite while ensuring the sound insulation property of composites. Compared with PVC plastic plate under the similar surface density, the wood-plastic composite shows better sound insulation property in the frequency band over 2 000 Hz.

PVC; wood flour; sound insulation property; wood-plastic composite

1673- 3851 (2015) 05- 0655- 05

2014-11-19

魏亞兵(1988-),男,河北衡水人,碩士研究生,主要從事隔聲復(fù)合材料方面的研究。

姚躍飛,E-mail:yfyao@zstu.edu.cn

TS195.644

A