辐射松微波膨化木材的制备工艺与声学性能研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sfwyb
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随着城市居民生活水平的逐步提升,越来越多的人逐渐开始注重提高生活品质,对居住环境、尤其是室内声学环境的要求越来越高。木材是一种性能优良的绿色可再生材料,广泛应用于室内装修和家具制造等领域。为了改善室内的声学环境,需要使用一定的木质吸声材料。然而,天然木材的吸声性能普遍较差,不适合作为吸声材料。本研究采用微波处理可有效提升木材的吸声性能,为木材的高附加值利用提供新的思路。本研究以辐射松(Pinus radiata D.Don)为研究对象,探究微波膨化木材的制备工艺,分析微波处理工艺参数对辐射松木材的吸声性能、隔声性能及力学性能的影响规律。探索裂纹特征、板后空腔深度、表面粗糙度等参数对吸声性能的影响,并从木材微观结构层面解释木材的吸声性能提升原理。本研究主要得出以下结论:(1)探索了制备微波膨化木材的最佳微波处理时间、微波处理功率的范围。木材经过微波处理后,随着微波处理时间和微波处理功率的提升,密度和含水率均逐渐下降,微波膨化木材的最大平均吸声系数提升至0.32(弦切面),比对照材的弦切面提升了91.6%;不同条件下的微波膨化木材的吸声系数在1000Hz频段以下差异不显著,在1000Hz左右出现吸声低谷;在1000Hz以上时,吸声系数与频率成正相关,且微波处理功率越大、处理时间越长,吸声系数曲线的上升的趋势越大;在辐射松解剖构造中,弦切面相较于径切面存在更多的孔隙,弦切面的吸声性能略好于径切面;扫描电镜可观察到微波膨化木材的纹孔膜消失、胞间层、交叉场纹孔和管胞壁破坏等现象;方差分析和偏相关性分析结果表明:三个参数对吸声系数的影响顺序为纹理方向>处理时间>微波处理功率。较佳的微波处理工艺为:微波处理功率140k W、微波处理时间30s,纹理方向选择弦切面最优。微波处理使辐射松的最大平均吸声系数提升至0.32,高于0.2,因而辐射松微波膨化木材属于吸声材料。微波膨化木材比对照材的压汞总体积和总孔面积分别提升14.4%和159.5%,中孔孔径、平均孔径和体积密度均下降,微波膨化木材的渗透性提升了268.5%。孔径分布在34.8μm-1322.68nm范围内,微波膨化木材的累积孔体积略高于对照材。当孔径减小到1322.68nm范围内,对照材的累积孔体积更高,对照材分别在13957.1nm和1055.7nm处存在两个峰。经微波处理的样品,在183.3nm、676.3nm和21349.7nm处出现了三个峰,木材的孔隙分布带变宽,经微波处理的木材的峰值低于未处理材。在2519nm以上范围内,微波膨化木材的累积孔隙面积与对照组相同;在349.5 nm-2519nm范围内,对照材的累积孔隙面积高于微波膨化木材;在低于349.5 nm的范围内,经微波处理的木材的累积孔隙面积远高于对照材料,且累积孔隙面积增长较快。(2)在140k W微波处理功率条件下处理30s,试样的平均气体流阻率为3.43×10~5Pa·s/m~2,而其他处理条件下样品的气体流阻率数值至少高出其一个数量级以上。木材的变异性较大,在同一微波处理条件下,裂纹特征差异显著。裂纹的面积占比、裂纹平均宽度、裂纹平均长度和裂纹总长度分别分布在3.77%-10.55%、0.32mm-0.64mm、4.01mm-8.72mm、257.92mm-1185.67mm之间。除木材的裂纹面积占比对吸声性能有一定程度的影响外(R~2=0.538),裂纹的平均长度、平均宽度和裂纹总长度与吸声性能的相关性较弱。板后空腔深度的设置有利于吸声系数的提高,设置50mm板后空腔深度最为合理。吸声极值随着板后空腔深度的增大而逐渐移动至更低频的范围,吸声极值的峰值也随之逐渐增大。板后空腔深度越大,微波处理参数的改变对吸声系数的影响就越不显著。微波处理和未处理的样品的表面粗糙度为3.399-7.155μm,样品表面粗糙度对微波膨化木材和对照材的吸声性能无显著影响。(3)研究了微波参数对辐射松木材力学性能及隔声性能的影响。大功率微波、长时间处理(140k W-30s)会导致木材表面出现宏观裂纹,微波处理对木材的力学性能(除顺纹抗压强度外)和隔声性能均有不同程度的降低作用,经过微波处理之后的木材的抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度的平均值分别为50.63MPa、5.70GPa、33.06 MPa。与对照材相比,抗弯强度、抗弯弹性模量分别下降9.7%、9.7%。对照组、100k W、120k W和140k W和平均隔声量分别为38.33d B、30.00d B、28.13d B、27.70d B。随着微波处理功率和微波处理时间的增加,平均隔声量逐渐降低,最大下降幅度达到54.5%。在低频范围(<1000Hz),隔声量随频率的升高逐渐增大,处理材和对照材之间的差距主要体现在中高频范围。
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