针叶木化学浆/玄武岩鳞片复合纸基材料的制备及其吸音隔热性能

宋顺喜 赵俊帆 魏 盘 李佳 张美云 高凤海

摘要：以玄武岩鳞片和针叶木化学浆为原料，采用造纸湿法成形技术制备轻质、环保的吸音隔热纸基材料。研究了玄武岩鳞片含量对针叶木化学浆/玄武岩鳞片复合纸基材料保温隔热与吸声性能的影响。结果表明，当玄武岩鳞片含量30%时，复合纸基材料在1200～1800 Hz及2500～3400 Hz 范围内，吸音性能得到改善，吸音系数最高可达0.86。随着玄武岩鳞片含量的增加，复合纸基材料导热系数降低，热稳定性得到改善。当玄武岩鳞片含量为60%时，复合纸基导热系数为0.041 W/（m ·K），具有良好的保温隔热性能。

关键词：玄武岩鳞片;吸音;隔热;热稳定性

中图分类号： TS761.2  文献标识码： A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2022.02.005

Preparation of Softwood Chemical Pulp/Basalt Scales Composite Paper-based Materials and Their Sound Absorption and Thermal Insulation Properties

SONG Shunxi*   ZHAO Junfan  WEI Pan  LI Jia  ZHANG Meiyun  GAO Fenghai

（College ofBioresources Chemical and Materials Engineering，National Demonstration Centerfor Experimental Light ChemistryEngineering Education，Shaanxi University ofScience& Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710021）

（*E-mail：15829913710@163. com）

Abstract：Light weighted and environmentally-friendly sound-absorption and thermal-insulation paper-based materials were prepared with basalt scales and softwood chemical pulp as raw materials via wet forming process of papermaking. Effects of basalt scales content on the thermal insulation and sound absorption properties of the softwood chemical pulp/basalt scales composite paper-based materials was studied. The results showed that the sound absorption of the composite paper-based materials were effectively improved in the range of 1200～1800 Hz and 2500～ 3400 Hz when basalt scale content was 30%. The maximum sound absorption coefficient could reach 0.86. In addition，the thermal conductivity of the composite paper-based materials was decreased with the increase of basalt scales content so that the thermal sta?bility of the composites was increased. When the basalt scale content was 60%，the composite paper-based materials exhibited excellent thermal insulation performance with the corresponding thermal conductivity of 0.041 W/（m ·K）.

Key words：basalt scale;sound-absorption;thermal insulation;thermal stability

现代城市高速发展使建筑行业对材料的噪音控制、保温隔热的需求越来越高，开发绿色环保的吸音隔热材料对推进节能减排和绿色建筑具有重要意义[1-2]。目前，多孔吸音材料主要有多孔泡沫材料及纤维基多孔材料;其中，纤维基多孔材料由于具有成本低、质轻、孔隙率高等优异性能，成为重要研究方向之一[3-4]。

纤维基多孔材料根据原料可分为天然纤维材料、无机纤维材料、金属纤维材料等。无机纤维吸音材料及金属纤维吸音材料（如石棉、不锈钢纤维等）拥有优异的吸音性能，但石棉潜在的健康风险及不锈钢纤维密度大、导热快等问题限制了其在吸声和隔热领域的应用[5]。天然纤维基吸音材料由于质轻多孔、绿色环保、成本低、可设计性灵活等优势，成为了本领域的重要研究方向之一[6-7]。董凯辉等人[8]以植物纤维为原料，利用硅溶胶制备轻质、耐热、可循环降解硅溶胶/植物纤维吸声材料，研究了硅溶胶添加量对于材料耐温、吸声等性能影响，在频率5000 Hz以上吸声系数达到0.65。Xu等人[9]利用植物纤维与无机玻璃纤维构建了多孔微结构材料，最大吸声系数可达0.781。然而，由于植物纤维吸湿性强、易遭生物侵蚀、耐温性差，限制了其在复杂环境下的建筑防护、吸声降噪领域的应用[10-11]。因此，开发兼具吸音隔热的纤维基多孔材料具有重要意义。

玄武岩鳞片是由玄武岩纤维衍生出的一种新型绿色环保的鳞片材料，它通过对玄武岩矿石进行高温熔融、澄清、均化、成形、回收、筛选等特殊加工工艺制成的新型片状材料，主要成分为 SiO2和 Al2O3。同时，其优异的力学性能、热稳定性、化学稳定性、吸音性能、电绝缘性能，使玄武岩鳞片可作为功能组分实现纸基材料的功能化[12-14]。然而，目前有关玄武岩鳞片应用于纸基功能材料的研究鲜有报道。因此，本研究尝试以针叶木化学浆和绿色环保的玄武岩鳞片为原料，采用造纸湿法成形技术，制备轻质、可降解并兼具吸音、隔热性能的纸基功能材料，以拓展玄武岩鳞片在纸基材料中的功能化利用。

1 实验

1.1 实验原料

实验所用植物纤维为漂白针叶木化学浆板。玄武岩鳞片，由国内某企业提供，厚度1～3μm，平均粒径20μm。

1.2 实验仪器

纸样抄取器（咸阳通达轻工设备有限公司， TD10-H）;标准浆料疏解机（瑞典 L&W 公司，992304）;自动抗张强度仪（瑞典 L&W 公司，SE- 062）;透气度仪（杭州研特科技有限公司，YT- TQD1000）;激光粒度分析仪（上海精密仪器仪表有限公司，BT-9300H）;电脑测控厚度紧度仪（四川长江造纸仪器厂，DC-HJY03）; PFI磨浆机（陕西科技大学造纸机械厂，DCS-041PT）;热常数分析仪（凯戈纳斯仪器商贸有限公司，Hot Disk TPS3500）;扫描电子显微镜（SEM，上海赛可电子商务有限公司， SNE 3000M）;热重分析仪（美国 TA 公司，TGA Q500）;阻抗管（北京声望声电科技有限公司， SW422、SW477）。

1.3 实验方法

图1为针叶木化学浆/玄武岩鳞片纸基吸音隔热材料制备流程示意图。采用PFI磨浆机对针叶木浆进行磨浆处理，磨浆浓度为10%，最终浆料的打浆度为40°SR。将针叶木浆料加水稀释至浆浓0.25%后，加入不同质量的玄武岩鳞片，经纤维疏解机分散后，经过湿法成形、压榨、干燥后，制得定量60 g/m2的针叶木化学浆/玄武岩鳞片复合纸基材料。

1.4 纸张物理性能检测

根据相关国家标准，对所制备的针叶木化学浆/玄武岩鳞片吸音隔热纸的定量、厚度、抗张强度、透气度等基本物理性能进行测定。

1.5 纸张吸音隔热性能表征

采用热常数分析仪测定纸样导热性能;采用中高频阻抗管，利用传递函数法，参照 GB/T 18696.2—2002和 ISO 10534—2：2001將纸样裁剪成直径3 cm 和10 cm 圆形测定纸张的吸音系数。测定时，将样品粘贴于板厚度1 mm、孔径3 mm管壁内，设置空腔25 mm，测定频率125～ 6300 Hz。

1.6 材料形貌表征

采用 SEM 表征原料及复合纸基材料的微观形貌及结构，测试电压为3.0 kV。

2 结果与讨论

2.1 玄武岩鳞片物理特性

图2为玄武岩鳞片的照片、粒径分布和微观形貌图。实验所用玄武岩鳞片粉体呈现黄褐色，如图2（a）所示。经激光粒度仪测定，玄武岩鳞片粒径呈现正态分布，平均粒径20μm;玄武岩鳞片微观呈现不规则片层形态，其厚度大约在1～3μm，如图2（b）和图2（c）所示。

2.2 玄武岩鳞片含量对复合纸基材料结构与性能影响

2.2.1 松厚度与透气度

图3为玄武岩鳞片含量对复合纸基材料松厚度与透气度的影响。由图3可知，随着玄武岩鳞片含量的增加，松厚度与透气度均呈现增加趋势。当玄武岩鳞片含量从0到60%时，复合纸基材料的松厚度提高至2.49 cm3/g，提高了16.4%。这主要由于玄武岩鳞片平均粒径与厚度较大，将其引入复合纸基材料的纤维网络后，玄武岩鳞片填充在纤维之间，减少了纤维之间的氢键结合，导致复合纸基材料的网络孔隙增加，厚度提高。松厚度的提高也有利于增加纸张的透气度，由图3还可知，与玄武岩鳞片含量为0的纸基材料相比，玄武岩鳞片含量为60%的复合纸基材料透气度提高了6.5倍，达196.94μm/（Pa ·s）。材料多孔性的增加为后续吸音和隔热性能的改善提供了可能。

2.2.2 抗张强度

图4（a）为玄武岩鳞片含量对复合纸基材料抗张强度的影响。由图4（a）可知，随着玄武岩鳞片含量的提高，复合纸基材料抗张指数呈现下降趋势。复合纸基材料的强度主要取决于植物纤维间的氢键结合[15-16]。当定量固定在60 g/m2时，玄武岩鳞片含量的增加会导致针叶木纤维用量的降低，这本身就会导致纸张强度下降。同时，玄武岩鳞片属于无机材料，其表面化学性质惰性较强，鳞片间及鳞片与纤维间难以产生化学结合。在纤维网络中，玄武岩鳞片穿插或包覆在纤维表面或内部，通过位阻效应阻碍纤维间氢键结合，从而导致复合纸基材料抗张强度下降。

图4（b）～图4（d）分别为玄武岩鳞片含量为0（即100%针叶木化学浆）、30%和50%复合纸基材料拉断后的 SEM 图。由图4（b）～图4（d）可以看出，玄武岩鳞片含量为0的复合纸基材料断面有少量纤维被拉断，大部分纤维被拉出，说明强度主要由纤维之间的结合及纤维自身强度所决定，纸基材料受到载荷后，纤维自身和纤维间氢键承担了主要载荷。相比之下，对复合纸基材料进行抗张强度测试时，玄武岩鳞片分布在纤维间，由于鳞片尺寸较小（相对于植物纤维），且本身呈化学惰性，断面中的纤维全部被拉出，且被拉出的纤维表面还吸附了部分玄武岩鳞片，印证了随着无机含量增加，复合纸基材料中纤维结合及氢键连接数量降低，复合纸基材料受到载荷后，纤维之间受鳞片的影响而发生相对滑移，从而纤维被拉出网络，导致复合纸基材料抗张强度下降。通过适当提高打浆度、添加增强剂等方式可有效弥补添加玄武岩鳞片对复合纸基材料强度带来的损失。

2.3 复合纸基材料的表面形貌

图5展示了玄武岩纤维含量为0、30%和 50%的纸基材料表面与Z 向截面的微观形貌与结构。由图5可知，以100%针叶木化学浆纤维抄造的纸基材料表面呈现多孔结构，添加玄武岩鳞片后，随着玄武岩鳞片含量的增加，其在纸张表面的分布逐渐增多，导致复合纸基材料表面空隙有所下降。图5（d）～图5（f）表明，加入玄武岩鳞片后，玄武岩鳞片分布在针叶木纤维之间，阻碍了针叶木纤维结合，导致复合纸基材料厚度增加。同時，图5（g）～图5（i）可清晰观察到较多的玄武岩鳞片均匀填充在针叶木纤维网络中，玄武岩鳞片的片状结构与针叶木纤维网络结构形成的多孔结构有利于改善材料吸音和隔热性能。

2.4 玄武岩鳞片含量对复合纸基材料吸音性能影响

原料特性及其所形成的材料在结构的差异使材料表现出不同的吸音特性[17]。针叶木化学浆/玄武岩鳞片复合纸基材料的吸音性能如图6所示。由图6（a）～图6（c）可知，以100%针叶木纤维制备的纸基材料在1500～2500 Hz 范围内表现出较好的吸音性能。当玄武岩鳞片含量为30%时，在1200～1800 Hz 及2500～3400 Hz范围内的吸音系数有所改善，最高吸音系数达 0.86;而当玄武岩鳞片含量为50%时，在2200～2600 Hz范围内，材料吸音系数可达0.6以上。

玄武岩鳞片对复合纸基材料吸音性能的影响一方面受材料特性影响，另一方面与材料结构差异导致的声波在多孔材料中传播路径有关。声波在进入纤维基多孔材料后，一般发生反射、吸收和透射现象。总声能由反射、吸收和透射声能组成，即Ei=Er+Ea+Et，其中Ei为入射总声能，Er为反射声能，Ea为吸收声能， Et为透射声能[18-19]。随玄武岩鳞片含量的增加，复合纸基材料的松厚度提高，声波进入材料后，在所形成网络结构内部的传播路径变长，增大了声波与纤维间的摩擦阻尼与空气黏滞损耗[20-21]，使声能被材料吸收，Ea增加，有利于提高材料的吸音性能。与此同时，从图5可知，玄武岩鳞片含量增加，一方面使鳞片在纤维表面的分布增加，降低了复合纸基材料表面孔隙，提高了声音的反射;另一方面，纤维在复合纸基材料中所占比例逐渐降低，削弱了声波在多孔材料中与纤维间的摩擦阻尼，导致吸音性能有所下降。加入玄武岩鳞片后，复合纸基材料吸音系数的变化是以上2种原因综合作用的结果。因此，将一定比例的玄武岩鳞片与针叶木纤维混合抄造有利于改善一定频率范围的吸音效果，今后可考虑采用鳞片与其他吸音材料提高纤维基材料的吸音频率范围。

2.5 玄武岩鳞片含量对复合纸基材料保温隔热性能的影响

2.5.1 热稳定性

玄武岩鳞片含量对复合纸基材料热稳定性的影响如图7所示。由于玄武岩鳞片熔点为1150℃[13]，具有优异的热稳定性，在温度为800℃时无明显质量损失。由图7（a）可以看出，加入玄武岩鳞片后，其热稳定性有所提高。相比而言，植物纤维耐温性较差，100%针叶木纤维纸质量损失率最高，质量损失为81.63%。加入玄武岩鳞片的复合纸基材料的主要热分解温度为280～380℃;由图7（b）可知，材料在354.9℃时热降解速率最快。这主要是因为针叶木纤维素内结晶区和非结晶区受热发生降解并挥发，导致质量损失[22-23]。同时，添加玄武岩鳞片的复合纸基材料的最快分解速率对应的温度（Tmax）略向高温偏移，这可能由于玄武岩鳞片和纤维相互搭接，阻碍了热量的传播，延缓了纤维热降解。因此，加入玄武岩鳞片后，材料的耐温性提升，有利于拓展植物纤维基吸音隔热材料的应用。

2.5.2 隔热性能

图8为玄武岩鳞片含量复合纸基材料的导热系数的影响。由图8可知，随着玄武岩鳞片含量的提高，复合纸基材料导热系数从0.053 W/（m ·K）降低到0.041 W/（m ·K），材料表现出良好的保温隔热特性。一方面由于玄武岩鳞片作为无机材料自身具有较低的导热系数，随着玄武岩鳞片含量的增加，隔热性能有所提高;另一方面，由于玄武岩鳞片呈片状形态，针叶木纤维与鳞片相互交织形成层状结构，延长了导热路径，增加了热能在材料内部的耗散[24]，降低了复合纸基材料的导热系数。因此，玄武岩鳞片可作为一种功能组分改善复合纸基材料的隔热性能。

2.6 复合纸基材料保温隔热性能对比

表1和表2分别为实验所制备的复合纸基材料与常用吸音隔热材料性能对比。在吸音性能方面，所制备的针叶木纤维/玄武岩鳞片复合纸基材料具有良好的吸声性能，在1500 Hz 频率下吸声性能最佳。同时，玄武岩鳞片含量60%的复合纸基材料导热系数最低达0.041 W/（m ·K），与其他材料吸音隔热性能相当。此外，所制备的吸音隔热材料厚度小，具有轻质、安全无毒、绿色环保、可加工性好等优势。

3 结论

以玄武岩鳞片和针叶木化学浆为原料，采用造纸湿法成形的方法制备了针叶木纤维/玄武岩鳞片复合纸基材料，探究了玄武岩鳞片含量对材料吸声和隔热性能的影响。

3.1 玄武岩鳞片外观呈黄褐色，微观呈不规则片状形态，耐温性优异，可改善复合纸基材料的松厚度与透气度。与100%针叶木纤维纸相比，当玄武岩鳞片含量60%时，复合纸基材料松厚度提高16.4%，透气度提高约6.5倍，但鳞片的加入会降低纸张抗张指数。

3.2 与 100%针叶木纤维纸相比，加入30%玄武岩鳞片有利于提高材料在1200～1800 Hz 及2500～3400 Hz范围的吸音系数，且吸音系数最高可达0.86。

3.3 提高玄武岩鳞片含量可改善复合纸基材料的热稳定性和隔热性能。当玄武岩鳞片含量为60%时，材料导热系数为0.041 W/（m ·K），表现出良好的保温隔热特性。

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（责任编辑：杨苗秀）