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为了实现乐器共鸣板木材资源的劣材优用和功能性的改良,进而减缓乐器用木材的供需矛盾,本研究用乐器音板常用的泡桐木材与云杉木材为研究对象,分别采用4种不同抽提溶剂的抽提处理,选取渗透性能较优的泡桐木材进行二羟甲基二羟乙基乙烯脲树脂浸渍处理以及溶胶凝胶法浸渍无机纳米粒子SiO2的方式,对试件进行声学振动性能的改良处理,研究结果表明:
(1)泡桐和云杉木材经过去离子水、无水乙醇、二氯甲烷和苯甲醇抽提处理后,声学振动性能均发生了变化,其中二氯甲烷和苯甲醇抽提处理改良效果最好。总体表现如下,杉木的比动态弹性模量E/ρ分别增加了6.92%、12.97%、14.52%和11.57%;声辐射品质常数R分别增加了11.20%、18.11%、17.42%和14.89%;泡桐的比动态弹性模量E/ρ分别增加了4.41%、13.92%、7.57%和5.24%;声辐射品质常数R分别增加了9.85%、17.82%、10.36%和7.95%;有机溶剂的抽提效果较去离子水的抽提效果更好,因此有机物的抽提物不利于木材声学性能。
(2)泡桐木材经过微波、丙酮抽提处理后,再用二羟甲基二羟乙基乙烯脲(DMDHEU)浸渍处理,泡桐木材的尺寸稳定性显著提高。从声学振动参数来看,改性材的声阻抗ω、声辐射品质常数R、比动弹性模量E/ρ等声学性能参数均发生了一定的变化。从振动音色评价指标E/G来看,当二羟甲基二羟乙基乙烯脲的浸渍浓度为20%时,有利于提升木材的音色品质。在此浓度条件下,木材的比动弹性模量E/ρ提高了22‰声辐射品质常数R提高了23.3%;木材的羟基和羧基含量降低,木材的抗吸湿率提高,发音稳定性能提高;XPS分析可以发现木材试件中C4的数量减少,C2的数量增加,表明经过处理后木材的C的价态发生了转变,将亲水部分的羟基转化成疏水的酯键和醚键。
(3)相对于利用有机物进行浸渍处理,将泡桐木材进行丙酮抽提处理,采用SiO2溶胶凝胶法浸渍处理的方法改良泡桐木材的尺寸稳定性。从木材的物理声学特性可知,SiO2木材复合材料的声阻抗ω、抗吸湿特性和WPG均有了明显的提高;但复合材料的声辐射品质常数R和比动弹性模量E/ρ与抽提处理相比均有所下降,且随着含水率越高生成的SiO2越多,下降的越明显;扫描电子显微镜和FTIR分析结果证明,SiO2木材复合材料中纳米SiO2颗粒填充在细胞壁上,这也是复合材料性能改变的主要原因。
总结以上处理手段,可以发现提高木材声学振动性能的手法,主要的手段和目的是提升材料的E/ρ、R等声学振动参数,而这些参数都与木材的密度密切相关。因此,抽提处理方法尤其是有机溶剂抽提处理对于改善木材的声学振动特性具有一定的优势。通过综合比较,木材振动性能改良效果的顺序依次是:有机溶剂抽提>无机溶剂抽提>去离子水抽提+浸渍DMDHEU树脂处理>丙酮抽提+浸渍SiO2处理。浸渍有机/无机物处理是一个复杂的物理化学反应,若可以在改性的基础上,对催化剂、反应时间、化学试剂的选择等进一步研究,引入新的化学物质改善相对应的声学振动参数,相信有机无机化学处理方法,可以成为一种改善木材的声学振动性能的有效手段。
(1)泡桐和云杉木材经过去离子水、无水乙醇、二氯甲烷和苯甲醇抽提处理后,声学振动性能均发生了变化,其中二氯甲烷和苯甲醇抽提处理改良效果最好。总体表现如下,杉木的比动态弹性模量E/ρ分别增加了6.92%、12.97%、14.52%和11.57%;声辐射品质常数R分别增加了11.20%、18.11%、17.42%和14.89%;泡桐的比动态弹性模量E/ρ分别增加了4.41%、13.92%、7.57%和5.24%;声辐射品质常数R分别增加了9.85%、17.82%、10.36%和7.95%;有机溶剂的抽提效果较去离子水的抽提效果更好,因此有机物的抽提物不利于木材声学性能。
(2)泡桐木材经过微波、丙酮抽提处理后,再用二羟甲基二羟乙基乙烯脲(DMDHEU)浸渍处理,泡桐木材的尺寸稳定性显著提高。从声学振动参数来看,改性材的声阻抗ω、声辐射品质常数R、比动弹性模量E/ρ等声学性能参数均发生了一定的变化。从振动音色评价指标E/G来看,当二羟甲基二羟乙基乙烯脲的浸渍浓度为20%时,有利于提升木材的音色品质。在此浓度条件下,木材的比动弹性模量E/ρ提高了22‰声辐射品质常数R提高了23.3%;木材的羟基和羧基含量降低,木材的抗吸湿率提高,发音稳定性能提高;XPS分析可以发现木材试件中C4的数量减少,C2的数量增加,表明经过处理后木材的C的价态发生了转变,将亲水部分的羟基转化成疏水的酯键和醚键。
(3)相对于利用有机物进行浸渍处理,将泡桐木材进行丙酮抽提处理,采用SiO2溶胶凝胶法浸渍处理的方法改良泡桐木材的尺寸稳定性。从木材的物理声学特性可知,SiO2木材复合材料的声阻抗ω、抗吸湿特性和WPG均有了明显的提高;但复合材料的声辐射品质常数R和比动弹性模量E/ρ与抽提处理相比均有所下降,且随着含水率越高生成的SiO2越多,下降的越明显;扫描电子显微镜和FTIR分析结果证明,SiO2木材复合材料中纳米SiO2颗粒填充在细胞壁上,这也是复合材料性能改变的主要原因。
总结以上处理手段,可以发现提高木材声学振动性能的手法,主要的手段和目的是提升材料的E/ρ、R等声学振动参数,而这些参数都与木材的密度密切相关。因此,抽提处理方法尤其是有机溶剂抽提处理对于改善木材的声学振动特性具有一定的优势。通过综合比较,木材振动性能改良效果的顺序依次是:有机溶剂抽提>无机溶剂抽提>去离子水抽提+浸渍DMDHEU树脂处理>丙酮抽提+浸渍SiO2处理。浸渍有机/无机物处理是一个复杂的物理化学反应,若可以在改性的基础上,对催化剂、反应时间、化学试剂的选择等进一步研究,引入新的化学物质改善相对应的声学振动参数,相信有机无机化学处理方法,可以成为一种改善木材的声学振动性能的有效手段。