硅溶膠/植物纖維吸聲材料的制備及其性能研究

董凱輝 王習(xí)文

（華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640）

隨著石油資源的日漸枯竭，傳統(tǒng)的石油基吸聲材料（如聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫）的發(fā)展逐漸受到了限制，人們開始意識(shí)到開發(fā)綠色環(huán)保類吸聲材料的重要性[1-3]。植物纖維是一種天然可降解的生物質(zhì)材料，廣泛存在于自然界的植物中，儲(chǔ)量豐富，合理利用這類資源能減少人類對(duì)石油類等不可再生原料的依賴[4-5]。

植物纖維基吸聲材料以植物纖維作為原料，具有可降解、可再生的優(yōu)勢(shì)[6]。該材料由植物纖維互相交織而成，密度低、孔隙率高，在取代傳統(tǒng)石油基吸聲材料方面具有廣闊前景[7-8]。但是，由于其較為蓬松的結(jié)構(gòu)以及原材料的特性，植物纖維基泡沫材料的力學(xué)性能及防火阻燃性較差，限制了其發(fā)展[9]。泡沫成形技術(shù)是一種新型紙頁(yè)成形技術(shù)，該技術(shù)利用泡沫作為纖維的載體，能夠生產(chǎn)出具有3D 結(jié)構(gòu)、孔隙率高的多孔材料，在吸聲、緩沖、過濾、絕緣等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[10]。

本研究選取硅溶膠作為纖維主要的改性劑，通過泡沫成形技術(shù)快速制備一種超輕質(zhì)、高強(qiáng)耐熱、可循環(huán)降解的硅溶膠/植物纖維吸聲材料。研究分析了硅溶膠添加量對(duì)硅溶膠/植物纖維吸聲材料（以下簡(jiǎn)稱吸聲材料）的密度、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性及吸聲性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與試劑

杉木漿，纖維平均長(zhǎng)度1.65 mm，纖維平均直徑31 μm，細(xì)小纖維含量5.4%，福建騰榮達(dá)制漿有限公司；硅溶膠，固含量約30%，pH值9～10，廣州穗澤環(huán)保科技有限公司；苯丙乳液，固含量約45%，濟(jì)南歐度新材料有限公司；十二烷基苯磺酸鈉，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

HP-BJQ 疏解機(jī)，濟(jì)南恒品機(jī)電技術(shù)有限公司；RW20 頂置攪拌器，德國(guó)IKA 公司；DHG-9030A 電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；泡沫成形器（自制）；COXEM EM-30Plus 掃描電子顯微鏡，韓國(guó)庫(kù)塞姆公司；NETZSCH 熱重分析儀，德國(guó)耐馳公司；INSTRON 5565 拉伸壓縮材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司；BK4206阻抗管，丹麥Brüel&Kj?r公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

基于前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，確定吸聲材料的制備流程如圖1所示。

圖1 吸聲材料的制備流程

植物纖維發(fā)泡漿料質(zhì)量總計(jì)200 g，其中各原料添加量如下（以發(fā)泡漿料總質(zhì)量200 g為基準(zhǔn)）：絕干杉木纖維1.5%，苯丙乳液5%，十二烷基苯磺酸鈉0.12%，硅溶膠添加量分別為0、4%、8%、12%和16%，其余均為去離子水。

工藝參數(shù)為：疏解5 min；機(jī)械攪拌發(fā)泡10 min，轉(zhuǎn)速2000 r/min；注模脫水時(shí)間20 min；干燥固化2 h，溫度80℃。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 微觀形貌

截取吸聲材料內(nèi)部部分纖維，噴金后通過掃描電子顯微鏡觀察，加速電壓20 kV。

1.4.2 熱穩(wěn)定性

稱取一定質(zhì)量的吸聲材料，放入熱重分析儀，以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，溫度范圍30～600℃，升溫速率10℃/min。

1.4.3 力學(xué)性能

利用拉伸壓縮材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)吸聲材料進(jìn)行壓縮測(cè)試，壓縮速率30 mm/min，最大形變80%。

1.4.4 吸聲測(cè)試

將吸聲材料裁切成直徑26 mm的圓柱體，放入阻抗管，測(cè)試頻率范圍0～6300 Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸聲材料宏觀及微觀形貌

圖2 為硅溶膠添加量分別為0、4%、8%、12%、16%所制備的吸聲材料的宏觀形貌。從圖2 可以看出，吸聲材料內(nèi)部呈3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維之間不僅存在氫鍵連接、物理交織，還存在硅溶膠、苯丙乳液的黏結(jié)作用。隨著硅溶膠添加量的增多，吸聲材料內(nèi)部空隙逐漸被硅溶膠填充，經(jīng)干燥后由于硅溶膠形成的SiO2顆粒之間Si—O—Si 鍵的結(jié)合，吸聲材料體積減小，內(nèi)部密實(shí)程度提高[11-12]。

圖2 不同硅溶膠添加量的吸聲材料的宏觀形貌

硅溶膠添加量對(duì)吸聲材料密度影響結(jié)果如表1 所示。由表1可知，隨著硅溶膠添加量的增大，吸聲材料的密度明顯增大，過高的硅溶膠添加量不利于吸聲材料的輕量化。

表1 不同硅溶膠添加量對(duì)吸聲材料密度的影響

圖3 為硅溶膠添加前后吸聲材料表面的微觀形貌圖。從圖3（a）可以看出，未添加硅溶膠的吸聲材料內(nèi)部纖維縱橫交錯(cuò)，纖維之間存在大量空隙，此時(shí)纖維之間的結(jié)合力主要為氫鍵作用[13]以及物理纏繞，圖3（c）為放大后未添加硅溶膠的吸聲材料表面形貌，表面有溝槽，似樹皮狀，呈現(xiàn)出天然植物纖維獨(dú)特的微觀表面形態(tài)。由圖3（d）可以看到，添加硅溶膠后的吸聲材料內(nèi)部空隙減少，纖維被硅溶膠形成的無機(jī)薄膜覆蓋包裹，在更高的放大倍數(shù)下（圖3（f）），纖維表面的無機(jī)薄膜由許多納米級(jí)SiO2顆粒組成。圖3（e）與圖3（b）相比，吸聲材料橫截面的外層相對(duì)粗糙，這也表明吸聲材料的微觀形態(tài)受到硅溶膠的影響[14]。

2.2 熱穩(wěn)定性分析

吸聲材料的熱解過程可分為3 個(gè)階段。第一階段（30～150℃），這一階段的質(zhì)量損失主要是由于纖維和硅溶膠中層間結(jié)合水和物理吸附水的損失；第二階段（150～350℃），該階段包括硅溶膠自身的脫水縮合以及纖維素的羥基和硅溶膠內(nèi)部的硅氧醇基之間的脫水縮合反應(yīng)，質(zhì)量損失速率急劇增加[11]；第三階段（350～500℃），纖維在這一階段進(jìn)一步碳化燃燒[15]。

圖4 為不同硅溶膠添加量吸聲材料的TG 曲線和DTG 曲線。從圖4（a）可以看出，隨著硅溶膠添加量的增加，吸聲材料的殘?zhí)柯拭黠@上升，說明硅溶膠成功地沉積在纖維表面，對(duì)熱穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。此外，結(jié)合圖4（b）可以發(fā)現(xiàn)，未添加硅溶膠的吸聲材料起始分解溫度在290℃左右，而添加硅溶膠后的吸聲材料起始分解溫度降低到240℃。這是由于硅溶膠覆蓋在纖維表面，高溫下硅溶膠自身內(nèi)部脫水縮合，并且硅溶膠與纖維之間也發(fā)生了脫水縮合作用，降低了熱分解的起始溫度[11,15]。在第三階段，未添加硅溶膠的吸聲材料最終分解溫度在420℃左右，而添加硅溶膠的吸聲材料由于纖維表面形成了SiO2無機(jī)薄膜，阻礙了纖維內(nèi)部和外界的熱交換，最終分解溫度延長(zhǎng)至500℃。

2.3 力學(xué)性能分析

圖3 硅溶膠添加前后吸聲材料表面形貌SEM圖

圖4 不同硅溶膠添加量吸聲材料的TG和DTG曲線

通過靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)來表征吸聲材料的力學(xué)性能。圖5 為不同硅溶膠添加量下吸聲材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了進(jìn)一步分析，根據(jù)曲線計(jì)算得到吸聲材料的彈性模量及屈服強(qiáng)度如表2 所示。由圖5 可以看出，吸聲材料呈現(xiàn)典型的3 個(gè)變形階段（即線性彈性階段、屈服階段以及非線性強(qiáng)化階段）[16]。

圖5 不同硅溶膠添加量下吸聲材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 不同硅溶膠添加量下吸聲材料的力學(xué)性能

由于硅溶膠對(duì)植物纖維的增強(qiáng)和鍵合作用，吸聲材料的力學(xué)性能得到了明顯改善。由表2 可以看出，未添加硅溶膠的吸聲材料彈性模量為15.4 kPa，屈服強(qiáng)度為1.6 kPa，在硅溶膠添加量為4%時(shí)，吸聲材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度分別增加至50.5、2.5 kPa，提高了2.3 倍和56.3%。隨著硅溶膠添加量的增加，吸聲材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度均有提高。此外，硅溶膠添加量達(dá)到16%時(shí)，相比添加量為12%的吸聲材料的力學(xué)性能提高效果不再明顯，盡管密度增加了10.45 kg/m3，但是彈性模量和屈服強(qiáng)度分別只增加了10.4、1.9 kPa。這主要是由于硅溶膠作為無機(jī)增強(qiáng)劑，形成的剛性無機(jī)薄膜具有一定的脆性，在適當(dāng)添加量下與植物纖維復(fù)合后能夠改善植物纖維的力學(xué)性能，但是過量的硅溶膠易在吸聲材料內(nèi)部團(tuán)聚，在干燥過程中產(chǎn)生表面應(yīng)力，造成無機(jī)薄膜開裂，吸聲材料的脆性增加，力學(xué)性能降低[17]。

2.4 吸聲性能分析

圖6 為不同硅溶膠添加量吸聲材料的吸聲系數(shù)曲線，頻率為0～6300 Hz。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)，吸聲材料主要分為蜂窩狀、孔狀和纖維狀。本研究中的吸聲材料屬于纖維狀吸聲材料，這類材料由一系列隧道狀開孔組成，聲波在進(jìn)入材料后能夠引起纖維的振動(dòng)，且頻率越高，振動(dòng)越明顯，吸聲效果越顯著[18]。

圖6 不同硅溶膠添加量下吸聲材料的吸聲系數(shù)曲線

從圖6 中可以看出，未添加硅溶膠的吸聲材料吸聲效果最差，當(dāng)硅溶膠添加量在8%時(shí)，吸聲材料的吸聲性能達(dá)到最高，在頻率5000 Hz 以上時(shí)，吸聲材料的吸聲系數(shù)達(dá)到了0.65。硅溶膠添加量超過8%后，吸聲材料吸聲性能反而逐漸下降。這是因?yàn)槁暡ㄖ饕峭ㄟ^衍射的方式進(jìn)入吸聲材料內(nèi)部，當(dāng)內(nèi)部孔隙率過高，吸聲材料流阻小，聲波進(jìn)入吸聲材料后無法在內(nèi)部反復(fù)衰減，最終通過吸聲材料導(dǎo)致吸聲效果不佳；而當(dāng)吸聲材料內(nèi)部孔隙率過低，聲波在到達(dá)材料表面時(shí)更容易發(fā)生反射，無法進(jìn)入吸聲材料內(nèi)部，使得吸聲材料吸聲性能降低。硅溶膠的添加使得吸聲材料孔隙率降低，內(nèi)部逐漸密實(shí)化，當(dāng)添加量在8%時(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)與吸聲性能達(dá)到最優(yōu)平衡。

結(jié)合吸聲材料輕量化應(yīng)用方面考慮，吸聲材料的密度不宜過高，且硅溶膠添加量8%時(shí)吸聲材料吸聲效果最佳，因此選擇8%的硅溶膠作為最佳添加量，此時(shí)，吸聲材料的密度為20.21 kg/m3，彈性模量及屈服強(qiáng)度分別為86.2 kPa和4.4 kPa。

3 結(jié) 論

本研究選取硅溶膠作為纖維主要的改性劑，通過泡沫成形技術(shù)快速制備一種超輕質(zhì)、高強(qiáng)耐熱、可循環(huán)降解的硅溶膠/植物纖維吸聲材料。

3.1 硅溶膠沉積在植物纖維表面形成了一層無機(jī)薄膜，有效延緩了熱量傳遞，使得最終分解溫度延長(zhǎng)，硅溶膠/植物纖維吸聲材料的熱穩(wěn)定性提高。相比未添加硅溶膠，當(dāng)硅溶膠添加量在8%時(shí)，硅溶膠/植物纖維吸聲材料的密度僅為20.21 kg/m3，彈性模量和屈服強(qiáng)度分別從15.4 kPa和1.6 kPa提高到了86.2 kPa和4.4 kPa。

3.2 硅溶膠/植物纖維吸聲材料在高頻段的吸聲效果明顯。隨著硅溶膠添加量的增加，硅溶膠/植物纖維吸聲材料內(nèi)部孔隙率減小，吸聲性能先提高后降低，在8%時(shí)吸聲效果最佳，5000 Hz 以上的吸聲系數(shù)達(dá)到了0.65。