比翱工程实验室丨来自植物、农业和动物纤维的可持续材料的声学和热特性

可持续材料往往成为建筑领域合成材料的替代品，用于声学环境改善和隔热。此项研究工作致力于对源自植物、农业和动物纤维的一些可持续材料进行声学和热学表征，例如枣椰树（树干、叶柄、羽状叶、结节和纤维网）、芦苇、蒲草、橄榄树、无花果树、木屑、鸡毛和羊毛等。所有材料都使用标准方法进行实验表征：分别用于吸声系数和热导率测量的阻抗管和热阻测试仪。结果表明，大多数研究的材料表现出良好的吸声和隔热性能：吸声系数在0.6 - 0.9（中频）范围内，热导率在0.044和0.091 W/m.K之间。研究发现，蒲草、叶柄、鸡毛和羊毛满足声学改善和隔热应用所需的主要性能，具有替代合成材料（玻璃棉：0.95、0.044 W/m.K）的巨大潜力。蒲草、叶柄、鸡毛和羊毛所测得的吸声系数和导热系数分别为（0.9，0.065 W/m.K）；（0.88，0.072 W/m.K）；（0.94，0.045 W/m.K）；（0.95，0.044 W/m.K）。

 
可持续材料的创新研发正在全球范围内推广。在此背景下，人们对开发源自可再生自然资源的环保型吸音和隔热材料越来越感兴趣。人们越来越意识到与使用多孔合成材料（如玻璃棉、岩棉、聚氨酯等）相关的健康问题，也增加了对生物基材料的关注。Iannace等人[1]在声学和美学上研究了使用一些绿色材料（甜水的巨型芦苇）进行教室声学环境改善。此外，Glé等人[2]已经研究了具有多种孔隙率的植物颗粒材料（大麻）的声学特性。他们发现用石灰基粘合剂和小的大麻颗粒制成的混凝土是良好的吸声介质。他们同样基于大麻颗粒研究了颗粒的形状和尺寸分布对材料声学特性的影响[3]。这些作者获得的有趣结果之一是，大麻材料中的颗粒分布和孔隙大小在统计上遵循对数正态分布。Santoni等人[4]还对大麻纤维的吸声性能进行了研究。研究了物理参数对块状大麻纤维材料声学性能的影响，优化制造工艺以获得天然、可持续和可再生的纤维材料。同样，Asdrubali[5]等人报告了对用于声学和热学应用的不同可持续材料（竹子、剑麻、大麻、红麻、发泡聚苯乙烯、羊毛、木丝、软木、纤维素、亚麻、玻璃棉、岩棉和椰子纤维）的最新评论。作者展示了许多最近开发和测试的用于声学应用（隔音和吸音）以及导热性的天然产品。他们注意到，对于空腔隔音，亚麻或再生纤维素等天然材料的声学性能纤维类似于岩石、玻璃棉、竹子、洋麻、剑麻和椰子纤维，具有良好的吸声性能。此外，软木或橡胶层或回收聚合物对于隔音和隔热非常有效。Othmani等人[6]已经进行了一项理论和实验研究，以评估用于声学应用的甘蔗废料。作者注意到，减小纤维的尺寸会增加流阻率和吸声系数。此外，减少树脂会增加流阻率并降低吸声系数。Berardi和Iannace[7]对不同天然纤维（洋麻、木材、大麻、椰子、软木、甘蔗、纸板和羊毛）的声学性能进行了表征。他们进行的测量表明，对于传统的多孔材料，所研究的纤维具有良好的吸声系数，特别是在中高频。此外，据观察，增加材料的厚度使得即使在低频下也能获得显著的吸声。他们还研究了豆科灌木纤维的声学行为[8]。结果表明，与更传统的多孔材料相比，不同厚度的样品具有良好的吸声性能。最近，Taiwo等人[9]综述了几种天然纤维材料（大麻、椰壳纤维、椰子、枣椰树、木棉、竹子、茶叶、绵羊毛、甘蔗、苎麻、黄麻、乳草纤维、棉花、剑麻、丝瓜、丝瓜/环氧树脂复合材料、木棉无纺布、菠萝叶和油棕等）用于建筑吸音的潜力。他们的研究工作比较了天然纤维和合成纤维在可持续性的各个方面，包括经济、社会和环境需求。作者展示了天然材料在轻便、可生物降解、低成本、二氧化碳中性、低能耗和健康方面的优势，这有助于它们在许多建筑和人居工程中的应用。此外，还发现这些材料具有在高频范围内具有与合成纤维相似的声学特性。然而，高吸水率、白蚁攻击倾向、较低的耐火性和低强度等仍然是阻碍在建筑物中使用天然吸声纤维的因素。其他有趣的研究集中在Iannace[10]等人的针对废料声学应用的价值化，利用工业食物垃圾（可可、玉米和甘蔗的有机残留物）。对于这些研究的材料，在中高频下获得了良好的吸声系数。这些作者[11]还致力于在沙特阿拉伯的农业废物（枣椰叶、小麦秸秆纤维和桉树叶等）的声学表征和开发。他们发现所有研究样品在高于900 Hz的频率下的所测得的吸声系数均高于0.5。一些研究人员还研究了不同的纤维素纤维。T. Koizumi等人研究表明[12]，在相同密度下，竹纤维板的吸声性能优于胶合板（竹纤维板的吸声系数在1000 Hz附近最大为0.92，胶合板在500 Hz附近为0.35）。吸声表明，竹纤维吸声性能优于玻璃棉，竹纤维在1500Hz的吸声系数最大为0.99，玻璃棉在1800Hz的吸声系数为0.97。茶纤维相比涤纶和丙纶无纺布，吸收性更好[13]。在4000 Hz和6300 Hz的频率范围内，茶纤维的吸收系数介于0.75和0.82之间，而聚酯的吸声系数介于0.4和0.6之间。此外，由羊毛材料制成的壁板的传输损耗可增加至6 dB以上，这使得它可以用于管道衬里[14]。此外，黄麻具有良好的声学性能和良好的阻燃性[15]。对由30%聚酯和70%棉复合材料组成的样品进行的测试表明，在中高频范围内具有出色的吸声性[16]。K.Doost-Hoseini等人[17]发现甘蔗纤维与树脂复合材料的吸声性能取决于树脂的用量。Othmani等人[6]对甘蔗进行了一项研究，发现纤维尺寸的减小会增加对气流的阻力，从而增加吸声系数。Xu等人[18]测试了一种没有粘合剂的创新红麻面板的隔热和吸音性能，发现这些面板的导热系数取决于密度，从0.040 W/mK（密度100 kg/m³）到0.060 W/mK（密度250 kg/m³），吸声系数与常规材料相似。 另一种创新材料是通过将大麻碎片与粘合剂和水混合制成的，Glé等人[2]对此进行了研究，导热系数约为0.060 W/m.K。最近，Delhomme等人[19]研究了三种澳大利亚大麻的热学和声学特性。实验结果表明，导热系数在0.064和0.097 W/mK之间，最大吸声系数在0.88和0.99之间，密度在97到118.8 kg/m³之间。对使用玉米淀粉作为粘合剂的基于大麻纤维的隔热板也进行了实验表征，测得的热导率在0.0505至0.0616 W/mK之间变化，密度在81至96 kg/m³ [20]之间。秸秆板的热表征是由Goodhew等人进行[21]。测得的密度为60 kg/m3的样品的热导率、热扩散率和热容量分别为0.067 W/m.K、18.2 10^-7 m²/s和0.6 kJ/kg.K。此外，P. Ricciardi等人[22]评估了几个用聚氨酯粘合剂和工业与农业废物（稻壳、软木、咖啡糠和颗粒状轮胎）开发的样品的热和环境性能。他们发现由20%稻壳、60%软木和20%咖啡糠组成的面板具有最佳的热和环境性能，导热系数为0.08 W/m.K，全球变暖潜能值仅为2.6 kg CO_2eq/m²。此项研究的目标是在声学和热学上阐述和表征一些源自植物、农业和动物残留物的建筑可持续材料，即椰枣（树干、叶柄、羽状叶、结节和纤维网）、芦苇、蒲草、橄榄树、无花果树、木屑、鸡毛和羊毛。还研究了通过混合叶柄- 蒲草和叶柄 - 木锯屑获得的复合材料。这些材料使用标准方法进行实验表征，以确定吸声系数和热导率。图文快览表征材料
棕榈类样品制备流程
其他农作物样品的制备流程
动物残留物样品制备流程
用于声学测量的制备样品概述
用于吸声系数测量的实验装置。 (a) 测量设备，(b) 阻抗管内波的示意图。
热阻测试仪进行热导率测量

SEM显微照片，a) 棕榈树干，b) 叶柄，c) 棕榈纤维网，d) 羽状叶，e) 棕榈簇，f) 蒲草，g) 芦苇，h) 橄榄，i) 无花果。

材料称重（例如锯末）

材料的密度列表

8cm厚的棕榈羽状叶（a）和纤维网（b）的实验吸声系数及其标准偏差

厚度为8 cm的某些残留物（棕榈除外）与玻璃棉的吸声系数比较
复合材料、木屑和叶柄（厚度为8 cm）吸收系数的标准偏差
比较厚度为8 cm的有前景的混合物（叶柄-蒲草和叶柄-锯末）与玻璃棉的吸声性能 热导率列表（ISO 8302） 总结在本文中，一些植物和动物残留物被研究作为建筑和人居工程应用的可持续吸音和隔热材料。研究的材料分为三类：第一类（C1）包含棕榈树的废物，即树干，叶柄，羽状叶，纤维网和簇，第二类（C2）由其他植物材料，如芦苇、橄榄叶、无花果树枝、蒲草和木屑。最后一个 (C3) 重新组合动物残留物（鸡毛和羊毛）。吸声系数和热导率的测量使用“ISO”标准化实验方法进行。结果表明，C1、C2和C3类的几种材料具有良好的声学和热学性能，即0.6-0.9（中频）范围内的吸声系数和0.044-0.091 W/mK之间的热导率（体积密度为 47.34-256.71 kg/m³）。与玻璃棉竞争的最相关材料是C1类、C2类的蒲草和木屑，C3类的羊毛和鸡毛。在声学研究中，两种复合材料是通过将C1（叶柄）与C2（蒲草和木屑）以不同的体积百分比混合而成的。对复合材料曲线的分析表明，就吸声系数而言，具有更好声学性能的百分比（在中高频的宽频率范围内高于0.8）为75% PaP + 25% ES（蒲草）和50% PaP + 50% WS（木屑）。从低频到大约600 Hz，所提出的两种混合物呈现出比玻璃棉更好的吸声系数。 参考文献  
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多孔材料与人工结构物理特性表征与验证技术领先者

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