摘要：將中密度纖維板與橡膠材料層合制備成層狀?yuàn)A心復(fù)合材料，并優(yōu)化其制備工藝。結(jié)果表明：涂膠量對復(fù)合材料的彈性模量（MOE）、彎曲強(qiáng)度（MOR）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）具有很顯著影響，熱壓壓力對MOE、MOR影響很顯著、對IB影響較??；熱壓時(shí)間對MOE、MOR的影響顯著。隨著涂膠量增加，復(fù)合材料的隔聲性能提高；熱壓壓力過大將導(dǎo)致橡膠厚度變薄，隔聲性能降低。優(yōu)化工藝條件下得到的層狀?yuàn)A心復(fù)合材料的隔聲性能優(yōu)于同等厚度密度板。
噪聲污染已被列為世界四大污染之一，控制噪聲有效的方式是降低噪聲和隔離噪聲，吸聲與隔聲材料至關(guān)重要[1]。單層勻質(zhì)木質(zhì)材料的隔聲性能較差，提高其隔聲性能的傳統(tǒng)方法是增加材料的面密度及厚度，既不經(jīng)濟(jì)，又給加工利用帶來不便。新型隔聲材料向著質(zhì)量輕、厚度薄、隔聲性能好的方向發(fā)展[2]。將單層勻質(zhì)材料與阻尼材料復(fù)合，是提高單層材料隔聲性能、并拓寬材料使用范圍的有效方法之一[3]。如以金屬材料為表板、橡膠板為芯層組成的多層復(fù)合材料，解決了橡膠材料不能單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)板材的問題，且復(fù)合板材的隔聲性能優(yōu)于同等厚度的金屬板[4]。合理地選擇表板及芯層材料，可以有效地提高復(fù)合材料的隔聲性能[5-6]。復(fù)合材料的隔聲性能除了受材料的面密度、彈性模量等影響外，還受材料的硬度和阻尼性能的影響[7]。
對于阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)，目前的研究多是針對金屬阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)[8]，木質(zhì)阻尼多層復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究較少[9]。筆者結(jié)合木質(zhì)人造板的復(fù)合工藝，通過將木質(zhì)材料與橡膠材料復(fù)合，并優(yōu)化工藝，制備隔聲性能與力學(xué)性能兼優(yōu)的復(fù)合材料，為木質(zhì)阻尼復(fù)合材料的開發(fā)研究及應(yīng)用提供新思路。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)材料
中密度纖維板（密度板）：密度650g/m3，厚度6mm，含水率為4.5%，外購。阻尼橡膠（R）：密度2.3g/cm3，厚度1.2mm；能承受的溫度范圍為－20~100℃，外購。異氰酸酯膠（MDI）：黃色液體，黏度27.5Pa·s（25℃），固體含量（100%），外購。
1.2主要設(shè)備及儀器
阻抗管測試系統(tǒng)，熱壓機(jī)，試驗(yàn)機(jī)等。
1.3試驗(yàn)方法
按照設(shè)計(jì)的熱壓工藝，密度板與橡膠復(fù)合試樣的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
前期預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，涂膠量及熱壓工藝參數(shù)對復(fù)合材料的力學(xué)性能與隔聲性能均有影響?？紤]到橡膠材料能承受的較高溫度為100℃，為了保持其性能，設(shè)置熱壓溫度為100℃。熱壓壓力過大時(shí)，橡膠材料會向四周伸展，厚度變薄而發(fā)生變形；反之，壓力過小時(shí)，密度板與橡膠材料不能緊密結(jié)合，易出現(xiàn)表板脫落現(xiàn)象。熱壓時(shí)間直接影響異氰酸酯膠的固化程度。涂膠量影響復(fù)合材料的膠合強(qiáng)度。
試驗(yàn)分兩步進(jìn)行：1）以涂膠量、熱壓時(shí)間、熱壓壓力3個(gè)因子，進(jìn)行全因子試驗(yàn)（表1），以力學(xué)性能為評價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化工藝參數(shù)；2）采用單因子試驗(yàn)，驗(yàn)證工藝參數(shù)對材料隔聲性能的影響。
| 水平 | 因素 | ||
| 涂膠量/（g· m-2） | 熱壓時(shí)間/min | 熱壓壓力/MPa | |
| 1 | 32 | 5 | 3 |
| 2 | 64 | 10 | 5 |
| 3 | 986 | 15 | - |
1.4性能測試
按照GB/T11718-2009《中密度纖維板》，測試復(fù)合材料的彈性模量（MOE）、彎曲強(qiáng)度（MOR）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）；按照GB/T17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》II類條件，測試浸漬剝離性能。
按照GB/Z27764-2011《聲學(xué)阻抗管中傳遞損失的測量傳遞矩陣法》，利用阻抗管法進(jìn)行隔聲性能測試。四通道聲學(xué)分析儀測試條件：大氣溫度22℃，相對濕度50%，聲速343.237m/s；空氣特征阻抗412.568Pa·s/m。
2結(jié)果與分析
2.1力學(xué)性能
復(fù)合材料的力學(xué)性能測試結(jié)果列于表2。
| 序號 | 涂膠量/（g·m-2） | 時(shí)間/min | 壓力/MPa | IB/MPa | MOR/MPa | MOE/MPa |
| 1 | 32 | 5 | 3 | 0.85 | 28.4 | 3 290 |
| 2 | 64 | 5 | 3 | 1.31 | 30.9 | 3 448 |
| 3 | 96 | 5 | 3 | 1.51 | 28.1 | 3 121 |
| 4 | 32 | 5 | 5 | 1.44 | 30.9 | 3 577 |
| 5 | 64 | 5 | 5 | 1.16 | 32.9 | 3589 |
| 6 | 96 | 5 | 5 | 1.25 | 32.8 | 3606 |
| 7 | 32 | 10 | 3 | 1.29 | 29.7 | 3527 |
| 8 | 64 | 10 | 3 | 1.24 | 30.9 | 3491 |
| 9 | 96 | 10 | 3 | 1.59 | 32.6 | 3555 |
| 10 | 32 | 10 | 5 | 1.24 | 35.7 | 3818 |
| 11 | 64 | 10 | 5 | 1.33 | 34.8 | 3851 |
| 12 | 96 | 10 | 5 | 1.24 | 35.7 | 3818 |
| 13 | 32 | 15 | 3 | 1.11 | 31.5 | 3522 |
| 14 | 64 | 15 | 3 | 1.48 | 33.0 | 3576 |
| 15 | 96 | 15 | 3 | 1.24 | 30.7 | 3363 |
| 16 | 32 | 15 | 5 | 1.25 | 30.8 | 3469 |
| 17 | 64 | 15 | 5 | 1.41 | 34.5 | 3607 |
| 18 | 96 | 15 | 5 | 1.31 | 34.4 | 3639 |
方差分析結(jié)果表明，熱壓工藝參數(shù)對復(fù)合材料的力學(xué)性能存在交互作用，因此采用SPSS的Partial過程對變量進(jìn)行偏相關(guān)分析，結(jié)果列于表6。
2.1.1涂膠量的影響
表3、4和5結(jié)果顯示，涂膠量對復(fù)合材料MOE、MOR、IB的影響很為顯著；表6表明，涂膠量與復(fù)合材料的MOE、MOR、IB之間均具有很強(qiáng)相關(guān)性。隨著涂膠量增加，密度板與阻尼材料之間有更多的膠黏劑作用，兩者的膠合強(qiáng)度隨之增加。但當(dāng)涂膠量過大時(shí)，膠合界面形成過厚的膠層，復(fù)合材料的韌性變差，力學(xué)性能隨之下降。
2.1.2熱壓時(shí)間的影響
表3、4和5結(jié)果顯示，熱壓時(shí)間對復(fù)合材料的MOE、MOR、IB具有顯著影響；但從表6相關(guān)系數(shù)可知，熱壓時(shí)間對此3項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的正相關(guān)程度為弱或很弱。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，復(fù)合材料的MOR、MOE和IB隨熱壓時(shí)間的延長而增大，但增幅較小，其原因可能是：
受橡膠阻尼材料能承受的溫度限制，熱壓溫度僅為100℃，低于異氰酸酯膠的常規(guī)固化溫度150~160℃，不利于異氰酸酯膠的充分固化。但是，延長熱壓時(shí)間，壓力的傳遞和熱量的傳導(dǎo)逐漸增強(qiáng)，可以促進(jìn)異氰酸酯的固化[10-11]，材料界面之間的膠合強(qiáng)度增大，使得復(fù)合材料的MOE、MOR、IB提升。
2.1.3熱壓壓力的影響
熱壓壓力對復(fù)合材料MOE、MOR的影響很為顯著（表3~表5），正相關(guān)程度均為中等（表6）；而對IB為顯著影響，兩者之間無正相關(guān)性。隨著熱壓壓力的增加，密度板與橡膠之間緊密貼合，因此復(fù)合材料的MOE、MOR提高。但壓力過大，易導(dǎo)致橡膠材料厚度變薄向四周伸展；壓力過小時(shí)，密度板與橡膠材料不能緊密貼合，出現(xiàn)表板脫落現(xiàn)象。
復(fù)合材料主要用作隔聲門表面，在常溫下使用。按GB/T17657-2013Ⅱ類條件進(jìn)行浸漬剝離測試，所有試樣均未出現(xiàn)開裂和分層現(xiàn)象。因此，以滿足力學(xué)性能為前提，以降低成本、提高生產(chǎn)效率為目標(biāo)，綜合考慮，確定復(fù)合材料的優(yōu)化工藝參數(shù)為：涂膠量32g/m2、熱壓時(shí)間5min，熱壓壓力3MPa。
2.2隔聲性能
按優(yōu)化的工藝參數(shù)，保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，再進(jìn)行單因子試驗(yàn)，驗(yàn)證工藝參數(shù)對復(fù)合材料隔聲性能的影響。
2.2.1涂膠量的影響
圖2所示3條曲線為固定熱壓時(shí)間5min、壓力3MPa，涂膠量分別為32、64、94g/m2時(shí)，復(fù)合材料的隔聲性能測試結(jié)果。
3種板材的面密度分別為1599、1634、1706g/m2，MOR分別為3820、3850、3870MPa。隨著涂膠量的增加，材料的面密度增加，隔聲性能增強(qiáng)。
在中低頻段，復(fù)合材料的隔聲量隨著涂膠量的增加而增加；到達(dá)高頻段時(shí)，以涂膠量為64g/m2時(shí)，復(fù)合材料的隔聲性能較佳。另外，復(fù)合材料的彈性模量越高，其抵抗聲波引起的振動彎曲能力越強(qiáng)，隔聲性能越強(qiáng)。
2.2.2熱壓時(shí)間的影響
圖3所示3條曲線為固定熱壓壓力3MPa、涂膠量為64g/m2，熱壓時(shí)間分別為5、10、15min時(shí)，復(fù)合材料的隔聲性能測試結(jié)果。
表4顯示，3條曲線的變化趨勢趨于一致，說明熱壓時(shí)間對復(fù)合材料的隔聲性能影響較小。熱壓時(shí)間的長短主要影響復(fù)合時(shí)異氰酸酯的固化程度，影響材料的力學(xué)性能。
2.2.3熱壓壓力的影響
圖4所示4種試樣的制備參數(shù)分別為：A、B固定熱壓時(shí)間5min，涂膠量32g/m2，壓力分別為3、5MPa；C、D固定熱壓時(shí)間10min，涂膠量64g/m2，壓力分別為3、5MPa。
從圖4中可以看出，壓力3MPa時(shí)，試樣的隔聲性能相對較好，平均隔聲量為35.6dB。其原因是在此壓力條件下，密度板與阻尼材料緊密結(jié)合，夾心層不會因?yàn)閴毫^大而產(chǎn)生變形。
隨著壓力的增加，試樣的隔聲性能并沒有隨之增加。5MPa壓力下制備的復(fù)合材料的平均隔聲量為33.9dB，其整體厚度比3MPa壓力制備復(fù)合材料的略微變薄，阻尼材料略微變形，導(dǎo)致其隔聲量變小。
2.2.4隔聲性能驗(yàn)證
結(jié)合復(fù)合材料隔聲性能的檢測結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)為：涂膠量64g/m2，熱壓壓力3MPa，熱壓時(shí)間10min。按此條件制備的復(fù)合材料試樣（密度板/R），其與密度板、橡膠材料（R）的隔聲性能比較，如圖5所示。
圖5結(jié)果表明，復(fù)合材料的隔聲性能優(yōu)于同等厚度的單一的密度板。復(fù)合材料既擁有木質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了木質(zhì)材料隔聲性能差的不足。
3結(jié)論
1）木質(zhì)材料與阻尼橡膠利用異氰酸酯膠黏劑進(jìn)行層合制備層狀?yuàn)A心復(fù)合材料，在一定的涂膠量、熱壓時(shí)間與壓力條件下是可行的。
2）根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，確定此層狀?yuàn)A心復(fù)合材料制備的優(yōu)化工藝參數(shù)為：涂膠量64g/m2，熱壓壓力3MPa，熱壓時(shí)間10min；在此條件下制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能指標(biāo)仍滿足GB/T11718-2009中密度板GPREG的性能要求，且隔聲量達(dá)到45dB，力學(xué)性能及隔聲性能均達(dá)到較佳。
參考文獻(xiàn)：
[1] 劉美玲. 環(huán)境噪聲污染的危害與防控[J]. 科技資訊，2011（15）：158.
[2] 宋博騏，彭立民. 木質(zhì)材料隔聲性能研究[J]. 木材工業(yè)，2016，30 （3）：33-37.
[3] 陸剛，余紅偉，魏徵，等. 阻尼-隔聲復(fù)合應(yīng)用于噪聲控制方面的研 究進(jìn)展[J]. 廣東化工，2016，43（7）：91-92.
[4] 潘涵. 聚氯乙烯基復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)對隔聲性能的影響[D]. 杭 州：浙江理工大學(xué)，2012.
[5] J J Sargianis，H I Kim，E Andres，et al. Sound and vibration damping characteristics in natural material based sandwich composites[J]. Composite Structures，2013，96（3）：538-544.
[6] 宋繼萍，鄧曉平，蔣丁山，等. 阻尼隔聲板在噪聲控制工程上的應(yīng)用
[J]. 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2012（6）：37-39.
[7] 王康樂，溫華兵，陸金銘，等. 橡膠芯夾層板隔聲特性研究[J]. 噪聲 與振動控制，2014，34（2）：192-195.
[8] Ng C F，Hui C K. Low frequency sound insulation using stiffness control with honeycomb panels[J]. Applied Acoustics，2008，69（4）： 293-301.
[9] A Tadeu，J António，D Mateus. Sound insulation provided by single and double panel walls：a comparison of analytical solutions versus experimental results[J]. Applied Acoustics，2004，65（1）：15-29.
[10] 李雪菲，任從容. 桉木單板/聚丙烯膜復(fù)合材料的制備工藝及力學(xué)性 能[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，43（2）：87-90.
[11] 趙方，程海濤，張雙保. 竹粉/高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合材料的熱 壓工藝研究[J]. 木材加工機(jī)械，2012（2）：14-18.
