冰模板法驱动木材微纤维可控组装及其超宽频吸声性能研究
作者单位：中南林业科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：万才超
授予年度：2024年
学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 08[工学] 0829[工学-林业工程]
摘 要：噪音污染已成为世界第二大环境风险因素。常规的多孔吸声材料很难兼具宽频和完美吸声性能,同时还存在环保性弱、柔性差等缺陷,因此创制同时具有超宽频和完美吸声性能的绿色材料成为当前的研究热点。众多研究证明结构是影响吸声材料性能的核心因素。木材纤维是一种天然材料,从尺度上可分为微米和纳米级纤维。微米级纤维具有解离周期短、能耗低、加工简单等优势,特别是暴露了次生壁S2层微纤维表面富含的纤维素,这在重组形成结构可控的多孔吸声材料上具有显著潜力。因此,本文通过设计吸声材料的精细结构,构建新型高性能木基吸声材料,旨在解决传统吸声材料柔韧性差、吸声范围窄、吸声效果低等问题。本文以S2层解离微纤维为基底,通过化学交联和定向冷冻联合策略,巧妙地制备了一种具有特殊各向异性“循环孔(GPC)结构的新型木基吸声材料,并解译了木材纤维重组体独特的微观几何结构和理化性质在提高声学和压缩性能上的优越性和增益机制。主要研究内容与结果如下: (1)以马尾松为原料,通过碱性过氧化氢法、碱性亚硫酸钠法和水处理法对木材细胞壁进行解离,分别获得S2层解离微纤维(MFs-S2)、胞间层解离微纤维(MFs-ML)和随机层解离微纤维(MFs-RL)。研究表明,MFs-ML表面受到严重破坏,而MFs-RL表面虽然初生壁和次生壁S1层部分被破坏,但仍附着在S2层表面,降低了S2层纤维素的可及性;相比之下,MFs-S2具有良好的纤维形态,保留了完整的空间结构。此外,MFs-S2含有最高浓度的纤维素和最低浓度的木质素,MFs-ML呈相反趋势;Segal和Scherrer计算同样表明,MFs-S2具有较高的结晶度(55.16%)、较大的晶面间距(3.978?)以及较小的晶粒尺寸(22.230?) (2)以MFs-S2为基材,通过自下而上策略,采用化学交联和定向冷冻协同构筑了一种具有“循环梯度孔的新型木基吸声材料(MFs-S2-GA-PVA)。研究表明,MFs-S2-GA-PVA借助其独特的微观几何结构(各向异性桥接结构),包括平行分层的层状微通道、复杂的多级孔隙结构以及丰富的层间弹簧状条带,构筑了坚固的三维互连支架,赋予材料较为出色的弹性。MFs-S2-GA-PVA在94.6 kPa的施加应力下,最大应变可达到80%。此外,MFs-S2-GA-PVA表现出了较好的抵抗压缩变形的能力,即使经过1 000次抗疲劳压缩循环测试后,其应力-应变曲线没有发生明显的变化,仍能保持较好的弹性恢复能力(能量损失系数可达91.5%)和较高的抗变形能力(压缩应力保持率可达90.5%)。同时,MFs-S2-GA-PVA呈现出优异的相对细胞存活率(98.2%),赋予了材料良好的生物相容性。 (3)在GPC策略下,兼具微孔(50 nm)的MFs-S2-GA-PVA-3在本工作中获得最佳的孔隙参数,包括高BET比表面积(605.3m2g-1)、t-plot微孔比表面积(401.3m2g-1)和孔隙率(97.84%),孔径分布范围跨越6个数量级(4.6×10-4～400μm)。吸声试验结果显示,吸声性能与厚度直接相关,尤其对于MFs-S2-GA-PVA-3(30mm)在63-1000Hz的吸声系数(SAC)显著增加(SAC可达0.998),并在520～6300Hz内SAC保持在0.95～1。同时,样品降噪系数(NRC)随厚度增加而显著提升:当厚度从10mm增加至30mm时,NRC从0.04-0.39上升至0.26-0.82,MFs-S2-GA-PVA-3的NRC值可达0.82。另外,MFs-S2-GA-PVA-3还表现出优异的吸声稳定性,在90天的高低温性能监测中(-60℃～60℃),SAC仍保持相对稳定。此外,半唯象理论计算表明,MFs-S2-GA-PVA-3的具有最高的p(ω)、Kω)以及低频范围段最高的Zs,并由于其独特的循环梯度孔隙结构、最大的比声阻抗(Zs/ρ0c0接近于(1,0)),协同促进了超宽频完美吸声的实现,表明这种循环梯度孔结构能够有效改善声波的反射、摩擦和耗散路径,从而提升材料的吸声性能。 综上所述,通过使用从木材次生壁S2层精准解离的微纤维作为基本单元,结合化学交联-冰模板法协同策略可制备出具有各向异性结构的多孔吸声材料,其独特的微观和孔隙特征,巧妙地解决了传统吸声材料吸声范围窄、稳定性差的问题,表现出优异的稳定性和吸声性能。本研究工艺简单、绿色环保,为木材纤维的高附加值利用和新型高效、低成本、绿色可持续多孔吸声材料的形成方法提供了新思路。
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