廢棄苧麻纖維吸聲復(fù)合材料的制備及其性能分析

呂麗華，田媛媛，李洪偉

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

中國麻纖維產(chǎn)量處于領(lǐng)先地位，據(jù)農(nóng)業(yè)部門估計(jì)，過去10年麻纖維的年均產(chǎn)量在9萬t以上，其中約50%～60%的麻纖維為廢棄麻纖維，在分離過程中被焚燒或傾倒在露天場地[1]，既對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，也是對資源的浪費(fèi)。

RAUT 等[2]將廢棄麻纖維用于建筑磚塊的制造，并且通過實(shí)驗(yàn)測試證明了這種磚塊性能優(yōu)異、輕質(zhì)高強(qiáng)、導(dǎo)熱率低，抗壓強(qiáng)度高、生產(chǎn)成本低，且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，有非常好的發(fā)展前景。MARIJA等[3]將廢棄短麻纖維進(jìn)行碳化制備重金屬吸附劑，并且通過實(shí)驗(yàn)測量得到由廢棄大麻纖維制得的吸附劑效果最好。苗立榮等[4]將苧麻纖維作為增強(qiáng)材料添加到高密度聚乙烯中制得復(fù)合材料,并且通過實(shí)驗(yàn)證明苧麻纖維的加入能有效提升復(fù)合材料的剛度和熱穩(wěn)定性，增大了材料的應(yīng)用范圍。陳宣東等[5]介紹了劍麻纖維在水泥基復(fù)合材料中應(yīng)用，表明在水泥基材料中摻入少量的劍麻纖維可以提升其抗拉性能和韌性。皮超雄[6]以環(huán)氧硅油改性苧麻纖維為增強(qiáng)材料，與聚丙烯通過擠出注塑復(fù)合成型為復(fù)合材料,并通過實(shí)驗(yàn)證明改性苧麻纖維的加入提高了材料的力學(xué)與阻尼性能。ABDUL等[7-8]將大麻纖維應(yīng)用于苯并噁嗪復(fù)合材料，并探討了大麻纖維的處理方式對該新型復(fù)合材料物理性能的影響。楊明等[9]用硅烷偶聯(lián)劑對劍麻纖維表面進(jìn)行處理，使表面處理后的麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性均有明顯提升。這些為麻纖維作為增強(qiáng)材料，制備復(fù)合材料提供了基礎(chǔ)研究支撐。呂麗華等[10]用廢棄麻纖維作增強(qiáng)材料，廢棄聚氨酯作基體材料，并添加鐵粉來制備復(fù)合材料,重點(diǎn)研究了材料的隔聲性能。麻纖維間有空隙，單纖維中有細(xì)胞腔，呈多孔結(jié)構(gòu)，是良好的熱絕緣體和吸聲材料，為廢棄麻纖維制備吸聲復(fù)合材料提供了新的思路。廢棄麻纖維吸聲復(fù)合材料的吸聲機(jī)制及吸聲性能還需進(jìn)一步探究。

為提高廢棄苧麻纖維的利用率，本文以廢棄苧麻纖維為增強(qiáng)材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)為基體材料，通過熱壓法制備廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料，其具有成本低、吸聲系數(shù)高、頻帶寬的特點(diǎn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

廢棄苧麻纖維(南通元隆麻紡織有限公司)，纖維平均長度5～15 mm；EVA(蘇州億富塑化有限公司),白色粉末狀(15目)，熔點(diǎn)77 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

QLB-50D/Q型MN壓力成型機(jī)(江蘇無錫中凱橡塑機(jī)械有限公司),SW477/SW422型吸聲測試系統(tǒng)(北京聲望公司),電熱鼓風(fēng)箱(大連實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠),高溫箱式電阻爐(天津天有利科技有限公司)。

1.3 廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料的制備

廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料制備工藝流程見圖1。

圖1 廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料制備工藝流程

1.4 測試指標(biāo)

按照GB/T18696.2—2002《聲學(xué) 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》和GB/T 18696.1—2004 《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量 第1部分：駐波比法》，采用傳遞函數(shù)法測試材料的吸聲性能，所測頻率范圍80～6 300 Hz，大氣溫度24 ℃，相對濕度65%，聲速345.6 m/s，空氣特征阻抗為409.78 Pas/m。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱壓溫度對材料吸聲性能的影響

為研究熱壓溫度對廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料吸聲性能的影響，在熱壓壓力8 MPa、熱壓時(shí)間25 min、苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%、材料密度0.204 g/cm3、材料厚度10 mm、后空氣層厚度0 mm的條件下，熱壓溫度分別取105、115、 125、 135、145 ℃，制備廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料，并對其吸聲系數(shù)進(jìn)行測量。熱壓溫度對復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響見圖2。

圖2 熱壓溫度對復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響

由圖2可知，不同熱壓溫度下制得復(fù)合材料的吸聲性能存在差異。在低頻段，所有復(fù)合材料吸聲系數(shù)在0.15～0.20的范圍之間，吸聲系數(shù)小于0.2，幾乎不具備吸聲性能；在1 600～5 000 Hz的中高頻段，復(fù)合材料吸聲系數(shù)大于0.2，并隨著頻率的升高而增大，符合多孔類吸聲材料的吸聲特性。并在該頻段內(nèi)，隨著熱壓溫度的升高，樣品的吸聲系數(shù)有明顯變化，即先升高再降低，這是因?yàn)镋VA完全軟化熔融增加了吸聲復(fù)合材料之間的黏結(jié)牢度，導(dǎo)致材料之間形成較為穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)，但當(dāng)熱壓溫度繼續(xù)升高，會使EVA的黏結(jié)特性遭到破壞。在熱壓溫度為125 ℃時(shí)， 復(fù)合材料取得最佳的吸聲系數(shù)曲線，最大吸聲系數(shù)可達(dá)0.9以上。

2.2 熱壓壓力對材料吸聲性能的影響

為研究熱壓壓力對廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料吸聲性能的影響，在熱壓溫度125 ℃、熱壓時(shí)間25 min、苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%、材料密度 0.204 g/cm3、材料厚度10 mm、后空氣層厚度0 mm的條件下，熱壓壓力分別取4、6、8、10、12 MPa，制備廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料，并對其吸聲系數(shù)進(jìn)行測量。熱壓壓力對復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響見圖3。

圖3 熱壓壓力對復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響

由圖3可以看出，熱壓壓力會對復(fù)合材料吸聲性能造成影響。復(fù)合材料吸聲系數(shù)隨著頻率的升高而增大，在中高頻段，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)隨著熱壓壓力的增大先升高后減小，其原因可能是合適的熱壓壓力能使EVA在材料內(nèi)擴(kuò)散的更均勻，熱壓壓力過小，材料內(nèi)部的熔融EVA受到外界擠壓力過小，無法順利地在苧麻纖維內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，影響復(fù)合材料內(nèi)部孔隙的形成與均勻分布，孔隙之間無法連通，材料有效孔隙率下降，影響材料對聲能的損耗吸收，降低材料的吸聲性能；熱壓壓力過大，苧麻纖維被壓實(shí)的更緊，EVA擴(kuò)散時(shí)受到的阻力增大，無法均勻的分布在材料內(nèi)部，影響復(fù)合材料有效孔隙的形成，同時(shí)過大的熱壓壓力會破壞苧麻纖維自身結(jié)構(gòu)，降低其對聲能的損耗作用，使復(fù)合材料吸聲性能下降。

2.3 廢棄苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料吸聲性能的影響

為研究廢棄苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料吸聲性能的影響，在熱壓溫度125 ℃、熱壓壓力8 MPa、熱壓時(shí)間25 min、材料密度0.204 g/cm3、材料厚度10 mm、后空氣層厚度為0 mm的條件下，苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取25%、35%、45%、55%、65%，制備廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料，并對其吸聲系數(shù)進(jìn)行測量。廢棄苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響見圖4?？梢钥闯?，廢棄苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料吸聲性能有較明顯的影響。吸聲系數(shù)隨著頻率的升高而快速增大，但隨著苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，復(fù)合材料吸聲系數(shù)先升后降，其原因可能是當(dāng)苧麻纖維含量較低時(shí)，同體積下材料內(nèi)部形成的孔隙數(shù)量減少，對入射聲波的摩擦作用減小，同時(shí)EVA含量過高，影響材料內(nèi)部孔隙互相連通，降低材料有效孔隙率，對聲能損耗作用降低，材料吸聲性能下降；當(dāng)苧麻纖維含量較高時(shí)，EVA含量下降，材料內(nèi)部結(jié)合度較差，無法形成互相連通的孔隙通道，有效孔隙率下降，聲波在材料內(nèi)部傳播時(shí)受到的摩擦作用減弱，材料吸聲性能下降，并且苧麻纖維含量過高，使復(fù)合材料成型困難，成型效果差，也會降低材料吸聲性能。

圖4 廢棄苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響

2.4 材料密度對其吸聲性能的影響

為研究廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料密度對其吸聲性能的影響，在熱壓溫度125 ℃、熱壓壓力8 MPa、熱壓時(shí)間25 min、苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%、材料厚度10 mm、后空氣層厚度0 mm的條件下，材料密度分別控制在0.153、0.178、0.204、0.229、0.255 g/cm3，制備廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料，并對其吸聲系數(shù)進(jìn)行測量。材料密度對其吸聲系數(shù)的影響見圖5。

圖5 材料密度對其吸聲系數(shù)的影響

由圖5可以看出，材料密度對其吸聲性能有較大的影響。吸聲系數(shù)隨頻率提高而增大，并且不同密度復(fù)合材料吸聲系數(shù)增長的幅度不同，同時(shí)隨著材料密度增大，吸聲系數(shù)先升高再降低，原因可能是材料密度的增加提高了有效孔隙率，并增多孔隙間互通結(jié)構(gòu)，聲波在材料內(nèi)部受到的摩擦作用增強(qiáng)，使材料吸聲性能提高，但隨著密度的繼續(xù)增大，材料內(nèi)部變得更加密實(shí)，空氣流阻增大，同時(shí)密度更大說明單位體積內(nèi)苧麻纖維和EVA量增加，二者之間更易過度結(jié)合，使材料孔隙數(shù)量減小，孔隙連通性變差，材料多孔吸聲結(jié)構(gòu)被破壞，對入射聲波的損耗作用減弱，同時(shí)材料密度過高，其表面孔隙通道減少，減少了材料對聲波的吸收能力，從而導(dǎo)致材料吸聲性能下降。

2.5 材料厚度對其吸聲性能的影響

為研究廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料厚度對其吸聲性能的影響，在熱壓溫度125 ℃、熱壓壓力 8 MPa、熱壓時(shí)間25 min、苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%、材料密度0.204 g/cm3、后空氣層厚度0 mm的條件下，材料厚度分別取5、10、15、20、25 mm，制備廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料，并對其吸聲系數(shù)進(jìn)行測量。材料厚度對其吸聲系數(shù)的影響見圖6。

圖6 材料厚度對其吸聲系數(shù)的影響

由圖6可以看出，廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料的厚度對其吸聲性能影響明顯。隨著材料厚度增加，吸聲系數(shù)向中、低頻段靠近，同時(shí)隨著頻率增加，厚度越大材料的吸聲系數(shù)增長幅度越大，最佳吸聲系數(shù)可達(dá)0.9以上，并且吸聲頻帶寬。但在 4 000～6 300 Hz的高頻段，材料吸聲系數(shù)達(dá)到最高點(diǎn)后出現(xiàn)下滑，之后趨于平緩。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是隨著材料厚度增加，材料內(nèi)部的孔隙通道變得更深，聲波在其中傳播路徑變長，聲能損耗的更嚴(yán)重，同時(shí)孔隙通道變長導(dǎo)致孔隙間互相連通的機(jī)會變大，有效孔隙率提升，材料吸聲性能得到提升。但材料厚度過大，會降低空氣流阻，影響空氣在材料內(nèi)部的流動，同時(shí)過厚的材料會使孔隙通道密閉，降低有效孔隙率，影響材料的吸聲性能。

2.6 后空氣層厚度對材料吸聲性能的影響

為研究后空氣層厚度對廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料吸聲性能的影響，在熱壓溫度125 ℃、熱壓壓力8 MPa、熱壓時(shí)間25 min、苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%、材料密度0.204 g/cm3、材料厚度10 mm的條件下，后空氣層厚度分別取0、10、20、30、40 mm，制備廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料，并對其吸聲系數(shù)進(jìn)行測量。 后空氣層厚度對復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響見圖7。

圖7 后空氣層厚度對復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響

由圖7可知，材料后空氣層厚度增加對復(fù)合材料的吸聲性能有顯著影響，在復(fù)合材料背面增加空氣層后，材料的性能得到極大的改善，吸聲系數(shù)曲線峰值向中低頻段移動，空氣層越厚，復(fù)合材料在中頻段吸聲效果越好，在400～1 000 Hz中頻段吸聲系數(shù)最佳可達(dá)0.74。造成這種現(xiàn)象的原因可能是空氣層的加入，使得穿透材料的聲波在接觸剛性壁面后能在復(fù)合材料與壁面之間多次反彈，使得吸聲材料能多次接觸聲波，提高了材料對聲波的吸收程度，使更多的聲波被復(fù)合材料吸收轉(zhuǎn)化為熱能，提高了復(fù)合材料的吸聲系數(shù)[11-12]。

通常平均吸聲系數(shù)使用125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz這6個(gè)頻率下吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值。平均吸聲系數(shù)大于0.20，即可認(rèn)為其是吸聲材料，數(shù)值大于0.56則是高性能吸聲材料。降噪系數(shù)采用250、500、1 000、2 000 Hz這4個(gè)頻率下吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值，并且小數(shù)點(diǎn)后保留2位，末尾只取0或5[13]。

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到制備廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料的最優(yōu)工藝參數(shù)為：熱壓溫度 125 ℃、熱壓壓力8 MPa、熱壓時(shí)間25 min、苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%、材料密度0.204 g/cm3、材料厚度25 mm，后空氣層厚度10 mm。

最佳工藝條件下復(fù)合材料的吸聲系數(shù)曲線見圖8?？芍?，最優(yōu)工藝條件下制備的廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料吸聲性能優(yōu)異，吸聲頻帶寬，在低中高頻段都具有優(yōu)異的吸聲性能，在中頻范圍最佳吸聲系數(shù)可達(dá)0.76，最高吸聲系數(shù)可達(dá)0.90以上，其平均吸聲系數(shù)為0.48，降噪系數(shù)為0.50，復(fù)合材料吸聲性能優(yōu)異，屬于高性能吸聲材料，有實(shí)際應(yīng)用前景。

圖8 最佳工藝條件下復(fù)合材料的吸聲系數(shù)曲線

3 結(jié) 論

為提高廢棄苧麻纖維的附加值及為廢棄苧麻纖維回收再利用提供新的率途徑，以廢棄苧麻纖維和EVA為原料，通過熱壓法制備吸聲性能優(yōu)異的廢棄苧麻纖維/EVA吸聲復(fù)合材料。通過實(shí)驗(yàn)分析熱壓溫度、熱壓壓力、廢棄苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、材料密度、材料厚度、后空氣層厚度等因素對復(fù)合材料吸聲性能的影響，分析復(fù)合材料的吸聲機(jī)制。得出使其具有優(yōu)異吸聲性能的最優(yōu)工藝為：熱壓溫度125 ℃，熱壓壓力8 MPa，熱壓時(shí)間25 min，苧麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%，材料密度0.204 g/cm3，材料厚度25 mm，后空氣層厚度10 mm，材料的最高吸聲系數(shù)可達(dá)0.9，平均吸聲系數(shù)0.48，降噪系數(shù)0.50。