rPET/竹纤维复合外墙隔音材料的制备及性能研究

Preparation and Performance Study of rPET/Bamboo Fiber Composite Exterior Wall Sound Insulation Material

摘要

以再生聚对苯二甲酸乙二醇酯（rPET）和短切竹浆纤维为原料，采用NaOH碱化预处理-熔融共混-热压/注塑一体化工艺制备复合材料，系统研究竹纤维质量分数（0、10%、20%）及碱化处理对材料力学、隔声及吸水性能的影响。结果表明：随着竹纤维含量的增加，复合材料的模量与强度显著提高，但延性降低；经碱化处理后，界面结合增强，相同纤维含量下的力学性能得到进一步提升。其中10%碱化纤维试样（PET-B10A）在面密度约为4.05 kg/m²时表现出强度、刚度与韧性的最佳平衡。隔声测试显示，复合板在中频段（500~2 000 Hz）的传递损失普遍提升，PET-B10A样品的频带平均值较纯PET提高约2.5 dB。扫描电子显微镜分析证实，碱化处理改善了纤维与基体的界面结合，从而提升性能。研究结果为制备高比强度、隔声性能良好的rPET/竹纤维绿色外墙板提供可行的工艺方案。推荐10%碱化纤维配方用于轻质隔声场景，建议在工程应用中控制湿度以保障长期性能稳定。

Abstract

Waste polyethylene terephthalate (PET) and short-cut bamboo pulp fibers were employed as raw materials, and composite materials were fabricated via an integrated process of NaOH alkalization pretreatment, melt blending, and hot pressing/injection molding. The effects of bamboo fiber mass fraction (0, 10%, 20%) and alkalization treatment on the mechanical, sound insulation, and water absorption properties of the materials were systematically investigated. The results indicated that with increasing fiber content, the modulus and strength of the composites were significantly enhanced, whereas the ductility decreased. After alkalization treatment, the interfacial bonding was strengthened, and the mechanical properties at the same fiber content were further improved. Notably, the 10% alkalized fiber specimen (PET-B10A) exhibited the optimal balance of strength, stiffness, and toughness at an areal density of approximately 4.05 kg/m². Sound insulation tests revealed that the transmission loss of the composite panels was generally improved in the mid-frequency range (500~2 000 Hz), with the band-average value of the PET-B10A specimen increasing by approximately 2.5 dB compared to pure PET. Scanning electron microscopy analysis confirmed that alkalization treatment improved the interfacial bonding between the fibers and the matrix, thereby enhancing the overall performance. The findings provided a feasible process scheme for fabricating high specific-strength rPET/bamboo fiber green exterior wall panels with favorable sound insulation properties. The 10% alkalized fiber formulation was recommended for lightweight sound insulation applications, and humidity control was suggested in engineering applications to ensure long-term performance stability.

Graphical abstract

关键词

竹纤维 / 再生聚对苯二甲酸乙二醇酯 / 外墙隔音材料 / 界面改性 / 传递损失

Key words

Bamboo fiber / rPET / Exterior wall sound insulating material / Interfacial modification / Transmission loss

近年来，建筑领域对绿色建材与固废资源化利用的需求日益增长^[1-4]。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为大宗热塑性塑料，其报废量日益增加，若能实现高值化再生，将有助于减量化、资源化及建筑节能减排^[5-9]。外墙隔音材料兼具结构与声学双重要求，而再生聚对苯二甲酸乙二醇酯(rPET)具有良好的可加工性与耐久性^[10-13]。引入来源广泛、密度低、可再生的竹纤维作为增强相^[14-16]，有望在保持材料轻量化的同时改善板材的比强度与声学耗散能力，满足装配式与绿色建筑对低碳、环保材料的需求^[17-19]。

天然纤维增强热塑性复合材料在力学与隔声方面具有潜力，但仍存在共性瓶颈。其一，纤维表面蜡质与木质素导致与基体界面相容性不足，易出现拔出与孔隙缺陷，限制承载与能量耗散^[20-21]；其二，力学增强与隔声性能的协同关系尚不清晰，材料密度、孔隙率、纤维含量与频带选择性之间缺乏定量关联^[22-24]；其三，针对户外应用的长期耐候与吸湿稳定性数据不足，难以直接对接外墙隔声的工程标准与寿命评估^[25-27]。因此，围绕界面调控、结构有序化及声学机制开展系统研究，具有显著的工程与学术价值。

因此，本文以rPET与竹纤维为原料，通过碱化改性及熔融热压制备复合材料，重点研究纤维含量与界面状态对材料力学与隔声性能的影响。通过性能表征与微观分析揭示结构-性能关系，旨在优选出适用于外墙隔声的适宜配方，为绿色建材开发提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

rPET，威立雅华菲高分子科技(浙江)有限公司；短切竹浆纤维，四川长盛新材料科技有限公司；氢氧化钠(NaOH)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；乙醇、冰乙酸，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司；抗氧剂，Irganox®1010，德国巴斯夫股份公司；硬脂酸锌，质量分数99%，上海麦克林生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机，ZSK-20，科倍隆(南京)机械有限公司；热压成型机，3856，美国卡弗(Carver)公司；注塑成型机，MA800，海天塑料机械有限公司；水分测定仪，MA系列，奥豪斯仪器(常州)有限公司；熔体流动速率仪(MFR)，CEAST，英斯特朗(上海)试验设备贸易有限公司；万能电子试验机，5967，英斯特朗(上海)试验设备贸易有限公司；冲击试验机，Zwick HIT25P，德国ZwickRoell公司；扫描电子显微镜(SEM)，FEI Quanta 250，美国赛默飞世尔科技公司；吸水率测试仪，RF4008WART，深圳市瑞锋仪器有限公司；阻抗管/小型传递损失测试系统，SW系列，北京声华兴业科技有限公司；声学分析仪，3560，丹麦Brüel & Kjær公司。

1.3 样品制备

1.3.1 原料预处理与配方设计

rPET先经清洗脱污、粉碎过筛(3~5 mm)及热风干燥(80~85 ℃，6~8 h)至含水率不超过0.02%；短切竹浆纤维(0.5~1.0 mm)先于60 ℃真空干燥4 h至含水率不超过5%，需要改性的纤维则用质量分数为4%的NaOH溶液(料液比1 g∶20 mL)于室温至50 ℃下搅拌60 min，漂洗至pH值为7，以1%冰乙酸中和10 min再漂洗，于60 ℃下干燥至含水率不超过3%。助剂添加量固定为抗氧剂0.3 phr，分散剂0.2 phr，各组分按配比称量后经滚筒混合器干混10 min，密封防潮备用。表1为rPET/竹纤维复合材料的配方。

1.3.2 竹纤维与复合材料的共混造粒

采用双螺杆挤出机进行熔融共混，机筒从加料端到机头温度依次为230、235、240、245、245 ℃，螺杆转速为180~220 r/min，同时开启-0.08 MPa的真空排气，以去除残余水分与挥发物。为减少竹纤维剪切断裂，竹纤维从侧喂口加入并选用中等强度捏合元件组合，机头用φ3 mm圆孔模，经水冷拉条造粒，所得粒料于80 ℃下再干燥4 h，至含水率不超过0.02%，密封备用。实验中记录熔体压力、扭矩与比能耗，偏离均值±10%的批次不用于后续成型。

1.3.3 注塑制样

注塑机料筒分区温度分别为245、250、255、255 ℃，喷嘴温度为255 ℃，模温为30~40 ℃，中等注射速度(避免纤维过度取向或充模不满)，注射压力为60~80 MPa，保压8~12 MPa/8~12 s，冷却20~30 s脱模；粒料注塑前于80 ℃下干燥2~4 h，拉伸、弯曲与冲击试样去飞边后，于(23±2) ℃、相对湿度(50±5)%环境下平衡48 h，然后再进行测试。声学与物理性能用的板材[厚(3.0±0.1) mm]单独热压制备，流程如下：245~250 ℃预热3 min→10 MPa保压5 min→8 MPa冷却至室温，以满足阻抗管测试的厚度与表面要求。

1.4 性能测试与表征

拉伸性能测试：依据GB/T 1040.2—2022，使用1A型哑铃形试样(总长度150 mm、宽度10 mm、厚度4 mm)，在万能材料试验机上进行测试。拉伸模量在1 mm/min速率下测定，拉伸强度及断裂伸长率在50 mm/min速率下测定。

弯曲性能测试：依据GB/T 9341—2008，采用三点弯曲加载模式(长度80 mm、宽度10 mm、厚度4 mm)。跨距(L)严格设定为试样公称厚度(t)的16倍，试验加载速率为2 mm/min，测定弯曲强度与弯曲模量。

冲击性能测试：依据GB/T 1043.1—2008，使用带V型缺口的矩形截面试样[长度80 mm、宽度10 mm、厚度4 mm，缺口深度(2.0±0.2) mm、缺口底部半径不超过0.1 mm]，在摆锤式冲击试验机上测定其简支梁冲击强度。

隔声性能测试：采用阻抗管法(传递损失法)进行声学性能表征。测试频率范围为500~2 000 Hz，记录该1/3倍频程频带内的传递损失(TL)，以系统评估材料在中高频段的隔声性能。

SEM测试：样品经真空喷金处理后，采用扫描电子显微镜在适宜加速电压下观察竹纤维表面在经历碱处理后形貌的微观形变。

密度测试：依据GB/T 1033.1—2008，采用电子比重天平，通过浸渍法测量试样的体积密度。

吸水率测试：依据GB/T 1034—2008，将试样浸入(23±2) ℃的蒸馏水中，24 h后取出，擦干表面水分，立即称重，计算其24 h的吸水率。

2 结果与讨论

2.1 rPET/竹纤维复合材料力学性能

图1为rPET/竹纤维复合材料的拉伸性能和弯曲性能，表2为rPET/竹纤维复合材料的缺口冲击强度与断裂伸长率。从图1和表2可以看出，在相同热历史与调湿条件下，引入竹纤维可以使复合材料的拉伸/弯曲模量和强度整体随含量增加而提高，延性明显下降，呈现典型“增刚增强、降延性”的纤维增强特征。相比对照组PET-0，未处理10%和20%竹纤维样品的拉伸/弯曲模量整体提升约30%~50%，强度也显著提高。其中，竹纤维质量分数为10%时，复合材料能够获得明显刚度和强度增益，同时冲击强度略有提高。竹纤维质量分数为20%时，出现冲击韧性回落、与对照组接近的“先升后降”特征，而断裂伸长率则由40%下降至20%以下。碱化处理在相同含量下进一步放大这一增强效应，PET-B10A、PET-B20A的拉伸/弯曲模量及强度比未处理组普遍提升约5%~10%，表明界面黏结改善有利于载荷在纤维与基体间的有效传递。综合刚度、强度与韧性表现，10%竹纤维+碱化样品在保持较高冲击强度的同时实现显著的增刚增强，可视为本体系的优选平衡配比，而20%+碱化则更适合作为以高刚度、高强度为主的结构型材料。

性能提升主要来自纤维承载与界面传递的协同。碱化去除表面蜡质和部分木质素并粗化纤维，增大黏结面积，提高界面剪切强度，使相同质量分数下的有效模量和强度进一步提高。竹纤维质量分数为10%时冲击韧性的提升主要得益于适度界面强度下的纤维拔出和裂纹偏转等耗能；含量增至20%后，纤维聚集、孔隙增多和基体连续相削弱导致耗能受限，刚度继续提高，而韧性出现回落。

2.2 rPET/竹纤维复合材料隔音性能

表3为rPET/竹纤维复合的面密度、厚度与频带平均TL。图2为rPET/竹纤维复合材料的声学TL频率。从表3和图2可以看出，相较PET-0，所有含竹纤维样品在500~2 000 Hz的频带平均TL均整体上移，但提升方式不同。未处理的PET-B10和PET-B20主要呈“随频平移式”温和增加(频带平均TL约+0.9 dB和+1.2 dB)，曲线基本沿质量定律基线平移；碱化后PET-B10A和PET-B20A在1 000~2 000 Hz出现更显著的附加损耗，PET-B10A在1 000 Hz和2 000 Hz的TL分别达27.9 dB和34.7 dB，较PET-0提升约2.8 dB和3.5 dB，PET-B20A也有增益，但略低于PET-B10A。总体来看，在面密度基本不变(约4.05 kg/m²)的前提下，“10%+碱化”实现对中高频TL最显著的提升，而“20%+碱化”则主要改善中高频，对低频增益相对有限。

上述差异可归因于对质量定律的多重偏离机制。质量定律仅给出由面密度和频率决定的基线，因此未处理PET-B10和PET-B20的温和提升主要源于面密度略增和弯曲刚度小幅提高；碱化后界面润湿和粗糙度得到改善，纤维-基体黏弹耦合和界面摩擦增强，材料损耗因子上升，在1 000~2 000 Hz形成以内耗为主的附加损耗，同时短切纤维网络与以闭孔为主的细观孔隙带来散射和孔道黏滞耗散，使TL在中高频段明显超出质量定律基线。纤维含量和界面强化还会调整板的有效弯曲刚度与临界频率，使吻合区相对纯PET略有移动，从而有利于抑制交通噪声主频带。PET-B10A优于PET-B20A，关键在于竹纤维质量分数为10%时，纤维分散更均匀，孔隙率和团聚程度可控，界面损耗能够得以充分释放且不显著破坏基体连续相；而20%时团聚与孔隙增多，削弱低频侧的刚度与密封性增益，使部分附加损耗被抵消，最终表现为中高频虽有改善但幅度低于PET-B10A。

2.3 rPET/竹纤维复合材料微观形貌

图3为竹纤维碱处理前后的SEM照片。从图3a可以看出，样品断口表面整体较为平滑，仅局部可见浅沟槽和细小凹陷，纤维-基体界面处存在连续而清晰的狭缝状脱黏带，断裂过程以“沿界面滑移-纤维整体拔出”为主。这类形貌典型对应未处理竹纤维，表面蜡质/木质素残留导致基体润湿不足，界面机械咬合作用和化学锚固能力偏弱，载荷传递主要依赖界面剪切黏附，极限载荷下易优先生成贯通脱黏带并伴随较长拔出痕迹和条带状基体撕裂。从图3b可以看出，相比之下，样品纤维表面出现明显的微沟槽、台阶与片状起伏，纤维周缘可见连续树脂披覆层、桥联“颈缩”和局部韧窝，界面裂纹被显著抑制，拔出痕迹更短、更钝，表明碱化处理通过去除蜡质和部分木质素并粗化纤维表面，显著提高界面机械互锁与化学亲和。将显微特征与宏观性能相对照，未处理样品中“长拔出+连续脱黏带”对应较低的界面剪切强度和有限的载荷传递效率，虽能在一定程度上通过纤维拔出和裂纹偏转耗能，但在含量提高至20%后团聚与孔隙增多，导致韧性和隔声低频表现出现回落。而碱化样品中“树脂披覆+短拔出+密集韧带”则指向更高的有效黏结面积和界面摩擦耗能，使界面效率提升，从而带来拉伸/弯曲模量与强度的同步增加，并在中高频段通过界面黏弹耗散和纤维网络散射获得更高的声传输损失。综合来看，拔出长度缩短、界面裂缝受抑与树脂披覆增强为“10%+碱化”同时实现强度/刚度与中频隔声协同提升提供直接微观支撑，而“20%+碱化”样品若仍出现局部团聚和孔隙，则需要通过优化侧喂位置、剪切强度与排气/排胶节奏来改善分散性和致密性，以避免对低频隔声和整体韧性的抵消效应。

2.4 rPET/竹纤维复合材料吸水率与密度

为评估“轻量化-隔声-耐久”的平衡，本文对rPET/竹纤维复合材料的体密度、24 h吸水率、拉伸模量及500~2 000 Hz频带平均TL进行关联分析，如表4所示。从表4可以看出，在厚度基本恒定、面密度仅由约4.02 kg/m²增至4.08 kg/m²、体密度由1.34 g/cm³增至1.36 g/cm³的有限增量下，频带平均TL仍随竹纤维含量温和上升，并与密度和模量呈正相关，说明本体系的隔声增益主要由“有限密度增加+弯曲刚度提升”共同驱动，适合在轻质外墙约束下通过优化单位质量TL，而非简单堆重。相比之下，吸水率的影响更依赖服役环境。竹纤维及碱化界面在干态短期有利于提高界面黏结性、拉伸模量和频带平均TL，但在湿热或长期条件下，吸湿可能削弱界面剪切强度，诱发微观脱黏，增大孔隙，从而引起力学性能回落和中频TL轻微退化，提示后续需要将界面强化与耐湿设计同步考虑。

3 结论

本文以rPET为基体、竹纤维为增强相，构建“碱化预处理-熔融共混-热压/注塑”工艺并系统评估其力学与隔声性能。结果表明：随竹纤维质量分数从0增加至20%，复合板拉伸/弯曲强度与模量显著提升而延性下降；在相同含量下，碱化处理进一步放大增益，其中10%+碱化(PET-B10A)强度、刚度和韧性更均衡，20%+碱化(PET-B20A)则突出高刚度和高强度。500~2 000 Hz中频段TL整体上移，PET-B10A在面密度几乎不变条件下获得约+2.5 dB的附加损耗。SEM图片显示，碱化后出现树脂披覆、拔出长度缩短与界面裂缝受抑的情况，界面效率由0.55增至0.72，支撑力学-声学协同提升。密度小幅上升带来可预期的TL基线提升，但吸水率升高可能在湿热服役下削弱界面并引起频谱轻微回撤。PET-B10A更适合轻质中高频隔声场景，PET-B20A适用于刚度优先的构造。后续应开展耐候/湿热循环与多层梯度结构优化验证。

参考文献

[1] 彭钧. 基于PET改性的高RAP掺量沥青混合料路用性能试验研究[J]. 福建建设科技, 2025(6): 111-113.

[2] 蒋博雅, 丁园杰. 既有居住建筑低碳改造智能实验平台设计与实践[J]. 智能城市, 2025, 11(3): 1-5.

[3] 田源, 钱柯贞. 不同金属催化剂下废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)加氢脱氧的研究分析[J]. 广东化工, 2025, 52(20): 101-104.

[4] 骆礼松, 零江龙, 孙健, 等. 轻钢龙骨轻混凝土墙板的隔声性能研究[J]. 四川建筑, 2025, 45(5): 235-237.

[5] 侯秋飞, 刘骐恺, 张杰, 等. 氧化钙催化废弃PET瓶片乙二醇醇解[J]. 云南化工, 2025, 52(10): 23-26.

[6] 蒲梦园. 基于废弃PET扩链聚氨酯黏附材料的制备及性能研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2025.

[7] 战俊青. 新型隔音材料在建筑工程中的应用及其发展前景[J]. 居舍, 2025(21): 53-55.

[8] 高张鹏, 袁满, 赵卫, 等. 废旧聚酯循环再生研究进展[J]. 合成技术及应用, 2025, 40(2): 1-8.

[9] 李波, 杜鹃, 罗艳. HDPE及HDPE/POE-g-GMA对回收PET的改性研究[J]. 塑料科技, 2025, 53(6): 59-63.

[10] 刘家秀, 马力. 废弃聚酯瓶回收再利用研究进展[J]. 产业用纺织品, 2025, 43(6): 32-38.

[11] 刘佳铭, 欧阳雪儿, 张译天, 等. 废PET塑料化学解聚和升级再造的研究进展[J]. 科学通报, 2025, 70(18): 2878-2891.

[12] 李亮, 朱一萍, 廖玉河. 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)热解回收研究进展[J]. 能源环境保护, 2025, 39(3): 53-63.

[13] 郭琛龙, 彭正奇, 姜冰雪, 等. 退役PET高值回用的研究进展[J]. 化工学报, 2025, 76(2): 532-542.

[14] 王乐宇, 佐宝清, 黄若晨. 回收PET塑料资源化利用及产业化进展研究[J]. 广东化工, 2024, 51(20): 67-69.

[15] 周欣, 周易, 邓小亮, 等. 化学法回收PET合成及性能研究[J]. 橡塑技术与装备, 2024, 50(6): 9-12.

[16] 刘新成. PET掺量对SBS改性沥青流变性能的影响研究[J]. 江西建材, 2024(5): 51-53.

[17] 乔运昌, 郑荣荣, 程汝超, 等. PET回收料改性再生透水混凝土性能的研究[J]. 化工新型材料, 2024, 52(): 384-387.

[18] 王磊, 孟祥强. 住宅隔音技术的发展与应用研究[J]. 住宅产业, 2024(5): 88-90.

[19] 程有亮, 张盈拴. 包装废聚对苯二甲酸乙二醇酯发泡及其应用研究进展[J]. 包装工程, 2023, 44(19): 112-120.

[20] 赵恬娇, 董亚鹏, 王淑惠, 等. 回收PET力学性能的改性研究进展[J]. 工程塑料应用, 2023, 51(10): 167-172.

[21] 杨嘉欣, 宋莎莎, 张扬. 聚对苯二甲酸乙二醇酯织物及薄膜的疏水改性及其应用研究进展[J]. 中国科学(化学), 2023, 53(9): 1619-1635.

[22] 庞明科, 王淑花, 史晟, 等. 废旧聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维醇解制备阻燃水性聚氨酯及其应用[J]. 纺织学报, 2023, 44(2): 214-221.

[23] 薛志宏, 刘鹏, 高叶玲. 废旧塑料回收与再利用现状研究[J]. 塑料科技, 2021, 49(4): 107-110.

[24] 成晓燕, 马海燕, 秦维秀. 聚对苯二甲酸乙二醇脂回收料扩链增黏改性研究[J]. 化工新型材料, 2021, 49(2): 244-248.

[25] 阳培翔, 温浩宇, 高灵强, 等. 酒包装用增韧改性PET的研究[J]. 现代塑料加工应用, 2019, 31(3): 22-24.

[26] 李新芳, 涂志刚, 赵素芬. 废弃PET瓶的回收现状及研究进展[J]. 塑料包装, 2018, 28(6): 7-10.

[27] 陆烨邦, 马海燕, 王思齐, 等. r-PET的改性研究进展及应用[J]. 化工新型材料, 2017, 45(10): 20-22.

基金资助

河南软科学研究项目(252400411061)