宋恩輝

摘要：聚氨酯材料代替木材制作樂器的研發(fā)與應(yīng)用是解決代用木材的途徑之一，但因以其制作樂器的特殊屬性，在應(yīng)用的過程中集中精力考慮其傳導(dǎo)共鳴載體的特點，要進(jìn)行反復(fù)的配比測試和實踐，以其達(dá)到真正能較好地代替木材用于樂器制作。本文以聚氨酯材料制作琵琶背板的研發(fā)經(jīng)歷來論述聚氨酯材料代替木材制作樂器的研發(fā)與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：聚氨酯材料? 樂器制作? 代替木材? 澆注式琵琶背板

序

隨著社會工業(yè)化水平不斷提高，各類工業(yè)產(chǎn)品對木材的需求量快速增長?！笆濉逼陂g中國木材總消耗量在3億立方米左右，除在造紙、建筑裝飾、家具制品等行業(yè)之外，民族樂器制作同樣需求大量木材作為原料。一般認(rèn)為：木材所具有的通透性，柔韌性，最適合制作樂器，尤其是民族樂器。然而，木材在被人們廣泛利用的同時，其供應(yīng)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)剛需，國內(nèi)木材的供需矛盾日益加重，導(dǎo)致制作民族樂器材料將日顯匱乏。

根據(jù)國辦發(fā)（2005）58號《關(guān)于木材節(jié)約和代用工作的意見的通知》的文件精神，樂海樂器公司自2019年起，由研發(fā)部申請立項，研發(fā)重點是可代替木材的樂器制作材料的實踐與應(yīng)用。本文以樂海樂器研發(fā)部用聚氨酯材料制作琵琶背板的技術(shù)研發(fā)為例，論述用聚氨酯材料代替木材制作樂器的可行性與技術(shù)要點。

一、代用木材的材料研發(fā)的現(xiàn)狀

自1937年聚胺脂材料問世以來，得到各行業(yè)極為廣泛的應(yīng)用。但在開發(fā)應(yīng)用其材料的著重點卻有所不同。本文以樂器制作中節(jié)約自然資源、尋找代用木材的角度來論述聚氨酯材料作為代用木材進(jìn)行樂器制作的研發(fā)工作為主線做以展開。尋求其在新材料、新工藝、新科技及成果研發(fā)與應(yīng)用的積極作用，促進(jìn)樂器工業(yè)的進(jìn)步發(fā)展。[1]

1．回顧民族樂器木材原料處理的現(xiàn)狀

民族樂器木材原料處理的周期比較漫長，從圓木開解，到板材加工生產(chǎn)的自然存放，到半成品料的清水浸泡、蒸汽烘干處理，到樂器制作成型要經(jīng)過3～5年的周期，不僅需要耗費大量的人力，而且在木料的加工處理過程中容易出現(xiàn)木材收縮、開裂、變形等現(xiàn)象，在剔除疤節(jié)、瑕疵后制作成樂器、在樂器的加工制作過程中，木材的利用率不足50%，甚至有些樂器木材的使用率會更低，大量的木料在開解、加工過程中變成了鋸沫、刨花，而民族樂器的腔體、部件等大多是不規(guī)則的異型。在加工的過程中，剔除疤節(jié)、劈裂等使得民族樂器在加工處理過程中的人工費用、處理成本、設(shè)備費用越來越高，木材利用率則更低。而這種利用率低的現(xiàn)狀嚴(yán)重局限民族樂器的生產(chǎn)發(fā)展，不符合國家提出的生產(chǎn)節(jié)約規(guī)劃的要求。

2．考慮急需研發(fā)代用木材材料的現(xiàn)實意義

根據(jù)當(dāng)前樂器行業(yè)生產(chǎn)材料供需的現(xiàn)狀，亟需尋找一種綠色的環(huán)保材料代替木材用于民族樂器的制作。當(dāng)然其前提是要保證樂器音質(zhì)為基礎(chǔ)，以節(jié)約資源、環(huán)保節(jié)能，提高效率和促進(jìn)發(fā)展為目標(biāo)。關(guān)于聚胺脂材料應(yīng)用于樂器制作，尤其材料作用于琴體傳導(dǎo)、增加共鳴和保證音質(zhì)效果等方面的技術(shù)資料及論述尚屬空白，沒有任何可借鑒參考的成功范例。因此，首先考慮在具體樂器琴體部分的材料研發(fā)將成為研發(fā)工作的焦點。我們認(rèn)為這項研究是在具有時代發(fā)展形勢下，促進(jìn)樂器制作材料革新意義的一項研究。

3．以琵琶背板制作為例的研發(fā)實踐目標(biāo)確定

在我們探索新的材料應(yīng)用的實踐中，根據(jù)琵琶制作的特殊性——琵琶背板工作量最大，用料最多，是樂器制作材料供需矛盾的突出部分。我們的研發(fā)工作的第一步就是考慮研究幾種備選新材料的材料特點及應(yīng)用實踐的可行性。工作方案是把琵琶其它部分如琵琶音板、琴軸、琴首依然采用桐木和硬雜木制作。設(shè)想以琵琶背板為攻關(guān)載體，即是用ABS工程塑料模具成型或用聚氨酯材料的調(diào)配試制代替木材用于琵琶制作，待取得階段性研發(fā)成果和經(jīng)驗后，再進(jìn)一步擴展研究內(nèi)容。

二、新材料的研制實踐

我們首選的材料是ABS塑料和聚氨酯材料，嘗試?yán)眠@些材料作為新材料應(yīng)用于琵琶背板制作的實踐如下。

研發(fā)應(yīng)用一：利用ABS塑料通過高壓加熱試制琵琶背板材料

1．我們根據(jù)琵琶背板的工藝尺寸要求，按其弧度設(shè)計制作出標(biāo)準(zhǔn)的琵琶背板模型，然后利用激光掃描完成琵琶背板的3D外形程序制作，按其3D外形加工完成ABS材料的澆注模具，模具制作完成后開始試制。我們把ABS材料進(jìn)行混合，把混合好的ABS材料注入注塑機在高溫、高壓的環(huán)境下制作ABS材料的琵琶背板。

2．應(yīng)用效果：琵琶背板是異形件，其背板邊緣最薄處有15mm，背板最厚處有30～40mm，寬度為316mm。脫模后發(fā)現(xiàn)ABS塑料在厚薄不等時，厚度越大其收縮量也越大，或反之。收縮量的不一樣，導(dǎo)致琵琶背板的表面出現(xiàn)了縮坑，凹凸不平。這種注塑收縮量的不均勻成為ABS塑料材料制作琵琶背板的瓶頸問題。試驗了不同配比的ABS材料均不能滿足琵琶背板的制作工藝要求。

研發(fā)應(yīng)用二：利用聚氨酯材料試制琵琶背板的研發(fā)實踐

我們從市場上購買了聚氨酯材料，把A料和B料各稱重200克，按1：1的比例混合在一起，倒入一個準(zhǔn)備好的圓桶中，5分鐘后觀察兩種材料發(fā)生劇烈反應(yīng)，體積迅速膨脹，體積膨脹率達(dá)到了300%，冷卻后觀察：聚氨酯的混合材料出現(xiàn)了不均勻的氣泡，按其體積、重量測算其密度不足0.2g/cm?，而演奏者對琵琶重量的要求是3500～4000g較為適宜、按琵琶背板的體積計算，聚氨酯材料的密度要控制在0.65～0.85g/cm?左右才能和一般的木材密度一致、以滿足演奏者對琵琶背板的重量要求。

三、應(yīng)用聚氨酯材料的模具研制與澆注工藝

在研發(fā)的材料與應(yīng)用數(shù)據(jù)整理的研發(fā)工作中，研發(fā)的失敗促使我們更大范圍地查閱資料，請教聚氨酯材料廠家的師傅，了解聚氨酯材料的基本特性。通過調(diào)節(jié)聚氨酯的澆注量及添加發(fā)泡劑的多少，生產(chǎn)出不同密度的聚氨酯材料、于是我們按照聚氨酯材料的硬泡工藝，根據(jù)琵琶背板的密度需求，利用聚氨酯材料韌性強、密度可根據(jù)材料澆注量調(diào)整的特性，再次利用聚氨酯澆注成形的特點試制琵琶背板，開始進(jìn)行了模具制作工藝的研發(fā)，從而進(jìn)入了新材料研發(fā)應(yīng)用的最基礎(chǔ)最具針對性的技術(shù)研發(fā)階段。

1．用聚氨酯制作琵琶背板的澆注成型模具研發(fā)。根據(jù)琵琶結(jié)構(gòu)的特性要求，我們用聚氨酯材料制成的琵琶背板開口近似半梨形狀，其背板開口沿的內(nèi)邊上部設(shè)有供音板側(cè)邊卡臥其內(nèi)的凹槽，背板的上端邊設(shè)有榫頭，琴頭夾桿的下端與榫頭連接以此作為琵琶制作的基本方案，然后開始制作聚氨酯琵琶背板的鋁合金澆注模具。

2．研發(fā)模具所考慮的問題處理。聚氨酯材料在制作時會產(chǎn)生二氧化碳（CO2）氣體，需要預(yù)留放氣孔排氣，設(shè)定在模具的頂部及模具邊緣處預(yù)留5～8個氣孔。為保障聚氨酯琵琶的手感舒適及琵琶背板脫模后注件的光潔度，對琵琶澆注模具里膛進(jìn)行打磨拋光，使其光潔度滿足琵琶生產(chǎn)的工藝要求，為預(yù)防聚氨酯材料反應(yīng)時體積膨脹所產(chǎn)生的反作用力、避免模具受力變形，故設(shè)定聚氨酯琵琶澆注模具的主體材料使用鋁合金材料以滿足聚氨酯琵琶的生產(chǎn)需求。

3．利用聚氨酯硬泡材料制做琵琶背板注件的方法

（1）準(zhǔn)備階段：準(zhǔn)備聚氨酯發(fā)泡設(shè)備、組合主料和背板模具；組合主料由下述重量份的A、B組份材料組成。

A組份材料：聚醚多元醇100份、其中3官能聚醚40～60份，高官能聚醚40～60份，催化劑0.3～0.8份，去離子水0.3～0.6份，色漿1.0～1.5份；

B組份材料：純MDI 42～48份， 聚合MDI32～38份，MDI50為17～23份合計100份。

（2）依次序?qū)組份材料加入混合罐中，罐溫保持22～25℃，轉(zhuǎn)速80～120轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)行均勻攪拌，攪拌混合4～8小時后，靜置12小時，將靜置后的A組份料加入到高壓聚氨酯澆注機A組份料罐中氮封開啟低壓循環(huán)20分鐘后，高壓循環(huán)10分鐘，得A料。

（3）依次序?qū)⒓訙刂?5℃的B組份材料加入混合罐中，罐溫保持恒溫40～45℃，轉(zhuǎn)速60～80轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)行均勻攪拌，攪拌混合1～2小時后，靜置1小時，將靜置后的B組份料加入到高壓聚氨酯澆注機B組份料罐中氮封開啟低壓循環(huán)20分鐘后，高壓循環(huán)10分鐘，得B料。

（4）AB料混合膠液。按A料羥值，B料NCO含量計算理論合適比例，計算出一個產(chǎn)品體積比、重量比，取A料、B料的體積比為1：0.88；測得A料比重1.23，B料比重1.08；取A料、B料的重量比為1：1。

根據(jù)體積、注料量、制品密度的關(guān)系原理，大約測量出產(chǎn)品的體積，再根據(jù)一個產(chǎn)品密度要求，計算出注料重量，根據(jù)液比求得A、B料分別的重量。

（5）高壓注膠機調(diào)整。①做吐出測試，分別打開儲存A、B料的混合罐中的計量閥，設(shè)定統(tǒng)一時間、壓力，計量吐出膠液量，并根據(jù)計量吐出膠液量調(diào)整，使吐出A、B料膠液量的重量比為1：1；②進(jìn)行吐出膠液量驗證，將吐出膠液量置驗證容器，觀察起發(fā)速度和混合狀態(tài)是否符合制備要求，合格可進(jìn)行模具澆注程序。

（6）模具加熱。將模具進(jìn)行水浴加熱，加熱至55～65℃，并保持恒溫，同時將模具的模腔清理干凈，在模腔內(nèi)噴涂水性脫模劑，噴涂計量控制在5～8g/m?，將模具關(guān)合、氣缸壓力控制在4兆帕以上。

（7）灌注工序。①檢測機器、模具、聚氨酯液均符合要求，開始灌注，設(shè)定所需膠液量，將高壓聚氨酯澆注機的注射槍頭插入模具注料口，啟動灌注按鍵將膠液在20s內(nèi)全部注入模具中，迅速拔出注膠槍，將模具注膠口封堵關(guān)閉；②啟動模具固定夾具調(diào)整角度為直立，靜置8～10分鐘后，待聚氨酯液熟化穩(wěn)定后取出產(chǎn)品，利用修邊工具清理產(chǎn)品邊角毛邊及排氣孔，將做好的產(chǎn)品放置到恒溫室進(jìn)行后期定型固化，完成聚氨酯琵琶背板的制作。在聚氨酯琵琶背板的制作品中可根據(jù)添加發(fā)泡劑的量和聚氨酯材料的注入量來實現(xiàn)其密度的改變，填充量越大其密度也越大。

（8）澆注件表面氣泡的控制。在聚氨酯琵琶背板的澆注過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)澆注件表面出現(xiàn)氣泡，其原因是在聚氨酯AB料的反應(yīng)過程中產(chǎn)生一定量的CO2，當(dāng)CO2不能及時排出模具時，占據(jù)一定的模具空間就形成了氣泡，氣泡一般大多集中在琵琶背板的邊角及模具的最高位置處，給琵琶的后期制作帶來麻煩，為了解決琵琶背板表面的氣泡問題，我們嘗試在聚氨酯混合料澆注時調(diào)整模具角度，使其所產(chǎn)生的CO2氣體通過模具預(yù)先設(shè)定的氣孔順利排出，確保聚氨酯澆注件的表面光潔度，保證后期琵琶制作的演奏手感。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧明（轉(zhuǎn)載）《聚氨酯仿木材料的前世今生》互聯(lián)網(wǎng)PU空間，2018年8月20日轉(zhuǎn)[R]

（待 續(xù)）