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木材—橡胶复合材料及其在静音地板中的应用研究

孙伟圣  
【摘要】: 木材-橡胶复合材料是近年来才被提出来的一类功能型复合材料,具有良好的防水、防腐、防蛀、防静电、隔音吸音、阻尼减震、隔热保温等性能,可以用作室内装修装饰材料、隔音吸音材料、阻尼减震材料、隔热保温材料,综合体现了木材的高效利用、废旧轮胎的无污染循环利用和提高林产品附加值等方面的价值,发展前景非常广阔。但目前关于木材-橡胶复合材料的研究还处于起步阶段,尚未形成工业化产品。 为了对木材-橡胶复合材料进行深入研究,通过查阅大量的文献,完成了其软木仿生结构的设计,以人工林木材、木制品加工剩余物和废旧轮胎颗粒为原料,制备了木材-橡胶复合材料并对影响其性能的主要因子进行了研究;用实验模态分析的方法揭示了木材-橡胶复合材料的静音机理,对其在静音地板中的应用进行了探索性研究。对地板制备工艺和性能、经济效益进行了分析,并对地板静音性能测试方法做了初步研究。 本研究得出以下主要研究结论: 1)在木材-橡胶复合材料的软木仿生结构中,木材相当于软木细胞壁物质,起到支撑、填充作用,主要提供物理力学性能,是结构中的强度单元;橡胶相当于软木细胞腔中的密闭气体,起到类似弹簧的作用,是结构中的减震单元;胶粘剂一定程度上相当于软木细胞壁中的软木脂,主要起到结构单元之间的胶接作用。 2)制备工艺对木材-橡胶复合材料性能的影响规律主要有: 木/橡胶质量比对材料性能影响极显著。随着木/橡胶质量比的减小,橡胶颗粒用量增大,材料的耐吸水膨胀性能增强,内结合强度减小,静曲强度和弹性模量降低,固有频率下降,阻尼比升高,撞击声减小,撞击声改善值增大。 木材形态对材料影响显著。使用扁平刨花和纤维可以获得较好的物理力学性能,C型刨花制备的材料具有较低的固有频率和撞击声、较高的阻尼比和撞击声改善值。施胶量对木材-橡胶复合材料物理力学性能的影响极显著(2 h吸水厚度膨胀率除外),对振动及声学性能的影响不显著。 密度对物理力学性能、振动及声学性能的影响都非常显著。木材-橡胶复合材料的目标密度在0.8~1.0 g/cm3范围内可获得较好的综合性能。 木/橡胶质量比和施胶量之间、密度和加压时间之间的交互作用对物理力学性能、振动及声学性能都有很大影响。因此,在调整工艺参数时,应将交互作用考虑在内。 3)具有良好减震降噪性能的较佳工艺参数:木材形态:C型刨花;废旧轮胎颗粒粒径:2~3 mm;木/橡胶质量比:40/60;施胶量:6%;目标密度:0.8 g/cm3;加压时间:4 min;压板温度:140℃。采用该优化工艺制备的木材-橡胶复合材料的主要性能如下:密度:0.78 g/cm3;2 h吸水厚度膨胀率:3.12%;内结合强度:1.1 MPa;静曲强度:3.8 MPa;弹性模量:342 MPa;固有频率:17.4 Hz;阻尼比:0.15;撞击声:76.5 dB(A);撞击声改善值:15.5 dB(A)。 4)木材-橡胶复合材料的静音机理:大量橡胶颗粒的存在,使得木材-橡胶复合材料具有较低的固有频率和较高的阻尼比。在冲击载荷作用下,由于木材-橡胶复合材料各阶频率间距较小,容易产生共振,使得材料中的橡胶颗粒减震吸能的功能得到充分发挥,材料整体的减震降噪功能提高;同时,较高的阻尼比可以加快振动的衰减,能量在传递过程中耗散较大,降低了以声能形式耗散的能量,起到减震降噪作用。 5)采用撞击声和撞击声改善值两个参数指标对地板静音性能进行评价,提出了一种地板静音性能测试方法——自由落球撞击法,设计并制作了一套相应的测试系统。实验证明,自由落球撞击法可以对不同静音性能的地板做出精确的定量评价,具有所需试件少、测试快速简便、结果准确的特点。 6)以木材-橡胶复合材料为基材的新型静音地板(WRC静音地板),通过不同的结构设计,可以获得良好的静音性能和物理力学性能;在外部载荷作用下,WRC静音地板的弯曲破坏类型有2种。


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