針刺非織造布中低頻吸聲性能的影響因素

劉玉杰，李新禹，劉 龍

（天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300160）

針刺非織造布中低頻吸聲性能的影響因素

劉玉杰，李新禹，劉 龍

（天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300160）

選擇不同細度的圓形截面和中空滌綸纖維，經(jīng)過針刺和預針刺加工成非織造布.使用SZZB駐波管法測試非織造布中低頻（125～2 000 Hz）的吸聲系數(shù)，比較滌綸纖維的截面、細度及針刺加工工序對非織造布吸聲材料中低頻吸聲性能的影響.結果表明，200 Hz以下各非織造布試樣的吸聲系數(shù)差距不明顯.在250 Hz時，中空纖維組成的非織造布的吸聲系數(shù)比圓形纖維組成的非織造布的吸聲系數(shù)約大0.04；由1.67 dtex纖維材料組成的非織造布比6.67 dtex纖維材料組成的非織造布的吸聲系數(shù)約大0.03；預針刺非織造布中低頻的吸聲系數(shù)比針刺布中低頻的吸聲系數(shù)約大0.06；而且以上吸聲系數(shù)的差距均隨著聲波頻率的增大而增大.

針刺非織造布；中低頻；吸聲系數(shù)；預針刺非織造布

punched nonwovens

針刺非織造吸聲材料吸聲性能的研究，往往通過對針刺非織造材料的厚度、容重、面密度等方面來進行研究，其加工工藝是通過針刺非織造材料的多層復合、后整理等方式來進行處理，這些方法所制非織造布的吸聲性能良好，但會使得針刺非織造吸聲材料厚重[1-4].針刺非織造布的吸聲特性往往取決于其組成纖維的幾何形狀（包括纖維的截面和細度）和纖維在織物結構中的排列.Mevlut Tascan等[5]研究了纖維的截面形狀和細度對針刺非織造布聲學性能的影響.Koizu mi的研究[6]表明1.67～6.67 dtex纖維的吸聲效果良好.本文對不同截面不同細度的纖維進行預針刺和針刺加工，制成非織造布試樣，然后測試其中低頻吸聲系數(shù)，探討纖維截面、細度及纖維材料的加工方式對非織造布中低頻吸聲性能的影響，以期為輕質(zhì)針刺非織造吸聲材料的設計提供一定參考.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗原料為不同截面（圓形截面和中空截面）和不同細度（1.67 dtex，6.67 dtex）的滌綸纖維，由儀征東南化纖原料有限公司提供.6.67 dtex滌綸纖維在400倍生物顯微鏡下的截面形狀如圖1所示.

圖1（a）為普通滌綸纖維材料的截面，為實心圓形.圖1（b）為三維卷曲中空纖維的截面形狀，為圓環(huán)形，與普通滌綸纖維相比，這不僅減輕了纖維的重量，而且能夠增加聲能與纖維的接觸比表面積，更適合做吸聲材料.

1.2 試樣制備

為比較不同針刺工序對非織造布性能的影響，本文制備了單面預針刺、雙面預針刺、針刺等3種類型試樣.稱重后的纖維經(jīng)過開松、混合、梳理和鋪網(wǎng)之后，部分纖網(wǎng)在同面進行3遍預針刺加工得到單面預針刺非織造布；部分纖網(wǎng)經(jīng)過2遍單面預針刺和1遍反面預針刺得到雙面預針刺非織造布；而針刺非織造布則由纖網(wǎng)經(jīng)過主針刺加工得到.單面預針刺非織造布與雙面預針刺非織造布的針刺密度相同.

將經(jīng)以上加工制備成的不同實驗材料剪成直徑為110 mm的圓形截面試樣，其性能如表1所示.

1.3 試樣吸聲系數(shù)的測試方法

材料的吸聲性能測試采用SZZB駐波管法吸聲系數(shù)測量儀進行，以吸聲系數(shù)（α）作為評定吸聲性能的指標.分辨率RTA采用1/3倍頻程，在相同聲源和相同接收系統(tǒng)下，通過調(diào)試探測器先后測得聲壓極大值和極小值，測試材料中低頻125～2 000 Hz的吸聲性能.每種材料制備3個試件，取其平均值作為最終的吸聲系數(shù)[7].

表1 非織造吸聲材料的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of nonwoven sound-absorbing materials

2 實驗結果及分析

2.1 試樣中纖維分布狀況

圖2（a）、（b）分別為由1.67 dtex圓形截面纖維制備的雙面預針刺非織造布和針刺非織造布實驗小樣在放大20倍的體視圖像電腦分析系統(tǒng)下觀察到的纖維分布情況.

由圖2可以看出，預針刺非織造布與針刺非織造布中纖維都呈現(xiàn)雜亂分布，而且纖維與纖維之間都有大量的微孔，但是它們又有所不同.預針刺非織造布材料中纖維排列稀疏，纖維與纖維之間的孔隙相對較大；重量一定的情況下，預針刺非織造布的厚度大于針刺非織造布的厚度；針刺非織造布中纖維間的排列相對緊密，其它情況相同時，材料的孔隙率大于預針刺非織造布.由中空截面纖維制備的非織造布的纖維分布情況基本與此相同.

2.2 針刺加工工序對吸聲性能的影響

圖3為采用1.67 dtex圓形截面纖維制備所得試樣的吸聲系數(shù)曲線.

由圖3可以看出，相同細度的纖維材料在125～2 000 Hz頻段范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)由高到低的順序依次為單面預針刺非織造布針刺面、單面預針刺非織造布蓬松面、雙面預針刺非織造布、針刺非織造布.預針刺非織造布吸聲系數(shù)與針刺非織造布吸聲系數(shù)的差距在200 Hz以下時不明顯，在250 Hz時預針刺非織造布吸聲系數(shù)比針刺非織造布吸聲系數(shù)約大0.06，而且隨著聲波頻率的增大預針刺非織造布與針刺非織造布的吸聲系數(shù)差距增大的趨勢就越明顯.

組成單面預針刺非織造布針刺面的纖維與纖維之間摩擦較其蓬松面多，纖維糾纏更緊密，針刺面的密度大于其蓬松面的密度.密度對材料中低頻的吸聲性能影響較大，一定范圍內(nèi)，密度越大，吸聲材料的微孔數(shù)量就越多，聲波與吸聲材料之間就有更大的接觸表面積，材料中低頻的吸聲性能就越好.同時，在加工過程中，單面預針刺非織造布針刺面的表面纖維被刺針轉移的數(shù)量多于蓬松面，纖維與纖維之間孔隙的迂曲度也大于蓬松面，這就增加了聲波與吸聲材料之間的空氣流阻，所以就有更多的聲能轉化成熱能而耗散掉.因此對于單面預針刺非織造布而言，其針刺面的吸聲系數(shù)大于蓬松面的吸聲系數(shù).

而對于相同質(zhì)量的單面預針刺非織造布、雙面預針刺非織造布和針刺非織造布而言，由于厚度是影響材料中低頻吸聲系數(shù)的關鍵因素，在一定范圍內(nèi)，材料的厚度越大，材料內(nèi)部通透的微孔數(shù)量及微孔的迂曲度就越大，因而材料中低頻的吸聲系數(shù)也就越大，所以中低頻段內(nèi)，不同工藝針刺非織造布的吸聲系數(shù)大小順序為：單面預針刺＞雙面預針刺＞針刺非織造布.

2.3 纖維截面形狀、細度對吸聲性能的影響

圖4為采用不同纖維制備所得單面預針刺非織造布針刺面的吸聲系數(shù)曲線.

2.3.1 纖維截面形狀的影響

由圖4可以看出，在125～2 000 Hz頻段范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)由高到低的順序依次是1.67 dtex中空纖維材料、6.67 dtex中空纖維材料、1.67 dtex圓形截面纖維材料、6.67 dtex圓形截面材料.200 Hz以下時吸聲系數(shù)的差距不明顯.250 Hz時，中空截面預針刺非織造布的吸聲系數(shù)比圓形截面預針刺非織造布的吸聲系數(shù)約大0.04；而且從圖4中可以看出，隨著聲波頻率的增大，中空纖維與圓形截面纖維組成的非織造布的吸聲系數(shù)的差距就越顯著.這一方面是因為中空纖維自身的三維卷曲結構決定其厚度大于圓形截面纖維材料的厚度，而厚度是影響材料中低頻吸聲性能的重要因素，厚度大，材料的微孔就越多，穿過材料的空氣流阻就相對大，那么材料中低頻的吸聲性能就越好.另一方面是由中空纖維的外部結構和其內(nèi)部結構決定的.中空纖維外部的三維卷曲結構使得其非織造布材料內(nèi)部微孔的迂曲度增加，這大大增加了聲波與纖維接觸的比表面積；同時中空纖維是軸向具有管狀空腔的纖維，單根纖維內(nèi)部即有微孔，也在很大程度上增加了聲波與材料接觸的比表面積，聲波與中空纖維材料就會有更多的摩擦，進而延長了聲波在材料內(nèi)部反復反射的時間，這就會有更多的聲能轉換為熱能而耗散掉，從而其吸聲系數(shù)相對于圓形截面纖維也就越大.

2.3.2 纖維細度的影響

由圖4還可以看出，在125～2 000 Hz頻段范圍內(nèi)，1.67 dtex圓形截面纖維材料針刺面的吸聲系數(shù)大于6.67 dtex圓形截面纖維材料針刺面的吸聲系數(shù)；1.67 dtex中空纖維材料針刺面的吸聲系數(shù)大于6.67 dtex中空材料針刺面的吸聲系數(shù).200 Hz以下時吸聲系數(shù)的差距不明顯.而250 Hz時，1.67 dtex預針刺非織造布的吸聲系數(shù)比6.67 dtex預針刺非織造布的吸聲系數(shù)約大0.03；而且從圖4中可以看出，隨著聲波頻率的增大，1.67 dtex纖維組成的非織造布與6.67 dtex纖維組成的非織造布之間的吸聲系數(shù)差距增大的趨勢越來越明顯.

以上現(xiàn)象表明：其他條件相同時，纖維越細，則材料的吸聲性能越好.這是因為纖維越細，單位重量內(nèi)纖維的根數(shù)就越多，纖維與纖維之間就有更多的微孔和接觸表面積，其他情況相同時，材料的孔隙率就越大，同時聲波與材料的接觸比表面積也越大，會有更多的聲能轉換為熱能而耗散掉，所以細纖維組成的非織造布的吸聲系數(shù)比粗纖維的吸聲系數(shù)大.

3 結論

針刺非織造布的吸聲性能與許多因素有關，文中僅從組成非織造布的纖維截面、纖維細度和非織造加工工藝方面對非織造布低頻吸聲性能的影響進行探討，可以得出以下結論：

（1）200 Hz以下，各非織造布試樣的吸聲系數(shù)差距不明顯.

（2）250 Hz時，預針刺非織造布的吸聲系數(shù)比針刺非織造布的吸聲系數(shù)約大0.06；中空截面纖維非織造布的吸聲系數(shù)比圓形截面纖維非織造布的吸聲系數(shù)約大0.04；1.67 dtex纖維組成的非織造布中低頻的吸聲系數(shù)比6.67 dtex纖維組成的非織造布吸聲系數(shù)約大0.03.而且以上吸聲系數(shù)差距均隨著聲波頻率的增大而越加明顯.

（3）單面預針刺非織造布針刺面中低頻的吸聲系數(shù)也比其蓬松面中低頻的吸聲系數(shù)大.

綜上所述，由三維卷曲中空細纖維加工成的預針刺非織造布針刺面中低頻的吸聲性能良好，這為輕質(zhì)高吸聲性能材料的研究提供了有利條件.

[1] 胡立晨，陳福源，晏 雄.柔性針刺非織造材料吸聲性能分析[J].玻璃鋼/復合材料，2010（1）：53-56，66.

[2]李 晶，郭秉臣.非織造布吸聲材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].非織造布，2007，15（1）：8-13.

[3]馬永喜，王 洪，靳向煜.復合針刺非織造布的結構與吸聲性能研究[J].非織造布，2009，17（4）：31-34.

[4]馬永喜，王 洪，靳向煜.二次加固對復合針刺吸音材料結構和性能影響的研究[J].非織造布，2009，17（5）：28-31.

[5] TASCAN Mevlut，VAUGHN Edward A.Effects of fiber denier，fiber cross-sectional shape and fabric density on acoustical behavior of vertically lapped nonwoven fabrics[J].Journal of Engineered Fibers and Fabrics，2008（3）：32-38.

[6]KOIZUMI T，TSUJIUCHI N，ADACHI A.The development of sound absorbing materials using natural bamboo fibers[C]// High Performance Structure And Composites Book.UK：WIT Press，2002：157-166.

[7]趙松齡.駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范[M].上海：同濟大學出版社，1986.

Influence factors on sound absorption performance of needle-punch nonwovens at low and medium frequencies

LIU Yu-jie，LI Xin-yu，LIU Long
（School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

Round-section polyester fibers and hollow-section polyester fibers with different finenesses are made to preneedling punched nonwovens and needle-punched nonwovens，then their sound-absorbing coefficients at low and medium frequencies（125-2 000 Hz）are tested by SZZB standing wave tube method.The effects of different fiber finenesses，fiber cross-sectional shapes and needle-punched processes of nonwovens on sound-absorbing performance are compared.The results show that the gap of sound-absorbing coefficients of nonwoven samples below 200 Hz is not obvious.At 250 Hz，sound-absorbing coefficients of nonwovens which are composed of hollow fibers are about 0.04 higher than those of nonwovens with round cross-sectional shaped fibers；sound-absorbing coefficients of nonwovens with 1.67 dtex fibers are approximate 0.03 higher than those of nonwovens with 6.67 dtex fibers；sound-absorbing coefficients of pre-needl punched nonwovens are about 0.06 higher than those of needle-punch nonwovens；all the range of absorption coefficients is obvious with the increase of acoustic frequency.

needle-punch nonwovens；low and medium frequencies；sound-absorbing coefficient；pre-needling

TS176.3

A

1671－024X（2010）06－0028－04

2010-07-29 基金項目：天津市高等學校科技發(fā)展基金計劃項目（20051610）

劉玉杰（1984—），女，碩士研究生.

李新禹（1964—），男，教授，碩士生導師.E-mail：xinyuli7627@sina.com