发泡豆壳与桦木纤维的吸声性能

《Bioresource Technology Reports》：Sound absorption of foam-formed bean hull and birch fibres

　　

摘要

在当前嘈杂的环境中，减少建筑物内的噪音污染至关重要。在本研究中，首次成功将蚕豆（Vicia faba）荚壳制浆，并加工成环保吸音泡沫材料。该泡沫材料是通过以十二烷基硫酸钠为发泡剂，将蚕豆荚壳纤维（BH）与漂白桦木针叶木浆纤维混合发泡而成的。硬木纤维（HW）构成了基本骨架，而较短的BH纤维（123微米）则起增强作用——压缩测试表明，在5克（烘干货重）硬木纤维泡沫中添加3克（烘干货重）BH纤维后，泡沫的抗压强度显著提高。随着BH纤维用量增加，泡沫的压缩强度、干燥时间、堆积密度和气流阻力进一步增大。照片、显微图像和X射线断层扫描显示，该泡沫具有高度非均质的结构，孔径分布在60至480微米之间。阻抗管测量表明，BH-HW泡沫在中低频650赫兹处的吸音系数为0.50，在约1200赫兹处达到最高吸音系数0.98。压缩测试后，泡沫的吸音系数略有下降。总体而言，增加BH纤维含量使吸音曲线向低频方向移动。我们证明，像蚕豆荚壳这类来自食品工业的未充分利用的材料，可以通过制浆加工并转化为声学吸音材料加以利用。

引言

在噪音污染日益严重的今天，必须减少噪音污染，为人类和动物提供健康的生活环境。Münzel等人（2024）指出，持续噪音通过应激和睡眠障碍等因素可导致心血管疾病。此外，研究表明儿童尤其容易受到噪音影响，导致注意力下降问题，持续及高强度的噪音还可能导致早期听力损伤（Bronzaft, 2002; Stansfeld和Matheson, 2003; Goines和Hagler, 2007; W.R.O. for Europe, 2018）。应对这些问题，通过吸音材料控制建筑物内传入和产生的声音与噪音至关重要。一般而言，宽带吸音材料，如多孔纤维吸音材料，在降低室内噪声方面效果显著。然而，这类纤维多孔吸音材料（如玻璃棉和岩棉）在生产过程中能耗极高。作为替代方案，应考虑使用生物基吸音材料，因为它们能作为碳汇降低碳足迹（Cucharero等人, 2021b; Sun等人, 2025），并且可以回收利用（Liao等人, 2022）。研究人员已开发出多种多孔纤维吸音材料（Ersoy和Kü?ük, 2009; Thilagavathi等人, 2010; Fouladi等人, 2011; Oldham等人, 2011; Doost-Hoseini等人, 2014; Ganesan和Karthik, 2016; Mehrzad等人, 2022; Halashi等人, 2024; Srisawas等人, 2024）。在大多数研究中，使用天然长度较长（1至250毫米）的木质纤维（Marja-Sisko, 1995），如黄麻或甘蔗渣纤维，并将其压制为非织造垫（Pritesh和Mohanty, 2016; Othmani等人, 2016; Mati-Baouche等人, 2016; Putra等人, 2018）。此外，还研究了不同纤维形态（Koizumi等人, 2002）、纤维复合材料（Periyasamy等人, 2023）、粘合剂的影响（Gomez等人, 2023; Halashi等人, 2024）以及化学处理纤维（Nasidi等人, 2021）对吸音性能的影响。

在过去十年中，大量研究使用制浆和发泡木材纤维。发泡是一种从纤维或其他颗粒生产纤维垫或三维结构的方法。在发泡过程中，气泡被纤维包围，干燥后气泡破裂，在纤维网络中留下空隙。P?hler等人（2016）首次应用发泡技术从漂白针叶木硫酸盐木浆生产吸音材料。另一项研究比较了发泡风干的针叶木硫酸盐木浆泡沫与冷冻干燥发泡纳米纤化纤维泡沫纸的声学吸音性能，结果显示当厚度和密度增加时，纤维泡沫纸的吸音系数超过了针叶木泡沫（Jahangiri等人, 2016）。Nechita和N?stac（2018）使用十二烷基硫酸钠（SDS）对漂白硬木纤维和回收纤维素纤维进行发泡，也研究了两种纤维混合使用的效果。他们报告，原生纤维和回收纤维混合泡沫达到最佳吸音性能，原因在于长短纤维的混合效果。Cucharero等人（2021a）研究了多种发泡针叶木和硬木浆纤维的声学吸音性能，结果表明纤维的超微结构和形态是影响吸音性能的重要因素，高度加工且较短的纤维表现最佳。Valkonen等人（2023）的研究使用针叶木浆和废弃木材材料制作泡沫，制备了不同比例和堆积密度的样品，并测试了它们的声学吸音性能和机械强度。总体而言，这些泡沫表现出适中的性能，研究结论认为，提高废弃木材含量对碳足迹具有正面影响。

除了木材废料外，农业和食品工业的副产品也可以通过发泡技术获得吸音材料。例如谷物或豆类的荚壳，如蚕豆（Vicia faba L.）荚壳。2022年全球蚕豆产量为620万吨，欧洲占干蚕豆产量的三分之一以上，亚洲（29%）和非洲（25%）紧随其后（FAO, 2023）。Krenz等人（2024）综述了蚕豆副产品的资源化利用，并计算出蚕豆荚壳占植物总生物量的5.8%。考虑到全球可用的蚕豆荚壳数量相对较少，蚕豆荚壳纤维似乎不适合作为大批量应用的原材料来源；然而，本文所研究的蚕豆荚壳可以作为其他豆类（如大豆荚壳）的示例模型，它们更为丰富且可能具有相同潜力，因为荚壳的解剖结构相似（非胚乳种子）（Tiwari和Singh, 2012; Egli, 2017）。豆荚壳是一种有趣的材料，其高纤维素含量（56%）以及低半纤维素和木质素含量（3%）使其具有独特优势（Vetter, 1995; Krenz等人, 2024）。豆类脱壳后，荚壳通常用于生物能源，也可用作饲料。研究人员进行了将豆荚壳作为人类食品补充剂的探索（Kaya等人, 2018; Daliani等人, 2019; Elsebaie等人, 2022），因为其天然高膳食纤维含量（Sharma等人, 2021）。此外，豆荚壳也被视为提取果胶的来源（Korish, 2015）。

据我们所知，这是首次尝试将蚕豆荚壳制浆并研究其在声学吸音材料领域的应用。我们研究了由豆荚壳（BH）和硬木（HW）纤维组成的泡沫的吸音能力。泡沫通过发泡技术制备，木材纤维构建纤维网络，豆荚壳纤维增强结构，形成具有良好机械强度的高度非均质形态。泡沫形态在宏观和微观尺度上通过照片、显微图像（光学显微镜和扫描电子显微镜）和X射线断层扫描进行了研究。结果表明，泡沫具有相对较高的气流阻力，但其吸音系数与典型纤维矿物棉基本一致，即使在压缩测试后也是如此。

材料

干蚕豆（Vicia faba）荚壳（含蚕豆残留物）由Raisio公司提供（芬兰），漂白硫酸盐桦木浆板由Mets?集团生产（芬兰）。乙醇（Anora公司的Etax AA，纯度99.5%）、72%硫酸（VWR Finland）溶液、氢氧化钠片剂（纯度98%，VWR Finland）以及20%十二烷基硫酸钠（SDS）水溶液（Millipore）均已采购。上述商业化学品在使用前未进行进一步纯化。

制浆

豆荚壳经过……

化学组成

化学组成分析结果（表2）显示，未经处理的豆荚壳含有66.9%的纤维素，其余碳水化合物占16%。豆荚壳的克林森木质素含量为18.6%，粗蛋白含量为5.4%。文献中报道的粗蛋白值（9.6%）和灰分含量（3.1%和4.8%）更高（Eden, 1968; Hussein等人, 1974; Vetter, 1995）。而2.1%的提取物含量与文献值一致（Krenz等人, 2024）。变异性……

结论

为应对持续的噪音污染，我们介绍了一种由蚕豆荚壳浆纤维和硬木浆纤维组成的发泡吸音材料。我们使用简单的烧碱制浆工艺成功将豆荚壳制浆——迄今为止，文献中没有对该材料进行制浆的先例。本研究旨在证明，"废弃物"可以被利用于声学吸音材料的应用。

这些泡沫表现出非均质的泡沫结构……

CRediT作者贡献声明

Marike Langhans：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，可视化，方法学，调查研究，形式分析，数据管理，概念构思。
Tuomas H?nninen：写作——原始草稿，方法学，调查研究，概念构思。
Arif Onur Yürek：写作——审阅与编辑，方法学，形式分析。
Jose Cucharero Moya：写作——原始草稿，资源获取，方法学。
Tapio Lokki：写作——审阅与编辑，指导，调查研究，形式分析。
Jaana……

生成式人工智能及人工智能辅助技术在稿件准备过程中的声明

在准备本工作的过程中，作者使用Aalto AI（GPT4）生成用于绘制吸音曲线的Python脚本。作者已审阅并编辑了输出内容，并对已发表论文的内容承担全部责任。

资助

本工作由芬兰科学院旗舰计划项目No. 345553、345556、369114和369115（材料生物经济能力中心，FinnCERES）部分资助。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本论文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢阿尔托大学和FinnCERES对本工作的资助。作者感谢Raisio Oy提供豆荚壳作为原材料。作者感谢赫尔辛基大学农业科学系的Tuomo Kokkonen和Karoliina Heinonen对豆荚壳蛋白质含量进行的分析。此外，感谢麦克马斯特大学的Ryan Smith进行的X射线断层扫描测量。我们感谢Chemix公司协助创建……

Marike Langhans | Tuomas H?nninen | Arif Onur Yürek | Jose Cucharero Moya | Tapio Lokki | Jaana Vapaavuori
芬兰阿尔托大学，化学工程与材料科学系，P.O. Box 16300, Espoo, 芬兰