針刺中空短纖非織造布層合滌綸增強(qiáng)橡膠基材料的吸聲性能*

洪 杰

1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226001；2.江蘇省先進(jìn)紡織工程技術(shù)中心，江蘇 南通 226001

以橡膠為基體、中空滌綸短纖為增強(qiáng)體制取的復(fù)合材料具有多孔吸聲材料的特性，但其在低于1 500 Hz的中低頻域的吸聲性能較差，通過(guò)增加短纖使用量和提高材料厚度可在一定程度上改善材料的吸聲性能[1-2]；還可通過(guò)在材料背部設(shè)置空腔或與穿孔板復(fù)合等方式改進(jìn)材料的吸聲性能，但這會(huì)使得材料厚度增加、制取過(guò)程更復(fù)雜、需設(shè)置很深的背部空腔從而導(dǎo)致空間結(jié)構(gòu)增大等問(wèn)題，造成生產(chǎn)成本增加、材料的實(shí)際使用受到限制[3-4]，[5]21。以非織造布形式呈現(xiàn)的纖維類吸聲材料具有多孔吸聲材料的特性，但其僅在中高頻域具有很好的吸聲特性[6-7]。若要其在中低頻域也具有良好的吸聲性能，需大幅提高材料厚度或在材料背部設(shè)置空腔，這也將導(dǎo)致材料厚重、空間結(jié)構(gòu)增大、制取復(fù)雜及資源浪費(fèi)等問(wèn)題[8-9]。將上述兩類材料結(jié)合使用，可在相對(duì)輕薄的情況下，實(shí)現(xiàn)材料在各頻域均具有良好的吸聲性能，有助于促進(jìn)材料的工程實(shí)際應(yīng)用。

本文將四孔中空滌綸短纖增強(qiáng)氫化羧基丁腈橡膠基材料(簡(jiǎn)稱“HF材料”)與針刺中空短纖非織造布層合，并通過(guò)改變HF材料厚度及針刺中空短纖非織造布的類型，制備系列雙層、三層材料。探究了所得層合材料的吸聲性能及其作用機(jī)理，力求實(shí)現(xiàn)材料較輕薄的同時(shí)，在中低頻域的吸聲性能顯著改善，同時(shí)在中高頻域也具有較優(yōu)的吸聲性能，即實(shí)現(xiàn)材料在更寬頻率范圍內(nèi)更好的吸聲特性。

1 材料制備

1.1 原材料

制作HF材料采用的氫化羧基丁腈橡膠(簡(jiǎn)稱“HXNBR”)由德國(guó)朗盛公司生產(chǎn)，產(chǎn)品牌號(hào)為Therban XT VP KA 8889；采用的四孔中空滌綸(簡(jiǎn)稱“FHHPF”)由中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司生產(chǎn)，纖維線密度為0.833 tex，長(zhǎng)60 mm。

針刺中空短纖非織造布所用單孔中空滌綸短纖的線密度為0.667 tex，長(zhǎng)64 mm，中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司生產(chǎn)；所用木棉纖維標(biāo)稱A級(jí)，從印度尼西亞進(jìn)口，外觀色澤為黃棕色，纖維線密度為0.090～0.320 tex，平均線密度為0.125 tex，纖維長(zhǎng)8～32 mm，纖維直徑均值為23.41 μm。

1.2 層合材料的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[1]所述方法，制取HXNBR與FHHPF質(zhì)量比為70∶30、厚度分別為1和2 mm的HF材料。采用針刺法制取兩種針刺中空短纖非織造布：厚3 mm、面密度為300 g/m2、實(shí)測(cè)孔隙率為90%的針刺單孔滌綸短纖非織造布(簡(jiǎn)稱“NP”)和厚10 mm、木棉與單孔中空滌綸短纖質(zhì)量比為70∶30、面密度為290 g/m2、實(shí)測(cè)孔隙率為94%的針刺木棉/單孔中空滌綸短纖非織造布(簡(jiǎn)稱“NKP”)。在無(wú)錫市創(chuàng)成橡塑機(jī)械有限公司生產(chǎn)的QLB-50D/Q型平板硫化機(jī)上，按要求對(duì)所得HF材料與針刺中空短纖非織造布分別進(jìn)行壓制層合。不同層合材料的具體制備流程如下所述。

1.2.1 雙層材料的制備

選取厚5 mm、尺寸為30 cm×30 cm的不銹鋼平板，在其上依次鋪放一層尺寸為30 cm×30 cm的耐高溫聚酯(PET)膜和聚四氟乙烯(PTFE)耐高溫織物，將裁剪成尺寸為8 cm×8 cm的HF材料放入圖1所示的由不銹鋼制成的正方形模具內(nèi)(模具厚度因材料制取的實(shí)際所需而不同)，置于PTFE耐高溫織物上，再連同不銹鋼平板一起放在平板硫化機(jī)的電熱平板上，于100 ℃下預(yù)熱60 s。將針刺中空短纖非織造布裁剪為8 cm×8 cm的小塊，然后將其放置在經(jīng)預(yù)熱軟化的HF材料上，再在針刺中空短纖非織造布上依次鋪放一層尺寸為30 cm×30 cm的耐高溫PET膜和一塊同尺寸的不銹鋼平板，開啟硫化機(jī)使上下電熱平板閉合。在100 ℃無(wú)壓狀態(tài)下壓制10 s，使兩種材料黏合，取出待完全冷卻后，去除不銹鋼板、模具等，即可獲得雙層材料。

圖1 不銹鋼模具平面示意

1.2.2 三層材料的制備

制備兩類三層材料。

采用前文所述雙層材料制備時(shí)的預(yù)熱方式，對(duì)HF材料進(jìn)行預(yù)熱，再將制備好的雙層材料置于HF材料上(針刺中空短纖非織造布一側(cè)朝下)。然后在雙層材料的HF材料一側(cè)依次放置一層PTFE耐高溫織物和耐高溫PET膜，再放置一塊不銹鋼平板。開啟硫化機(jī)使上下電熱平板閉合，在100 ℃無(wú)壓狀態(tài)下壓制10 s使材料黏合。取出待完全冷卻后，去除不銹鋼板、模具等，即可獲得以針刺中空短纖非織造布為芯層的三層材料。

將制備好的雙層材料按HF材料一側(cè)朝上放入不銹鋼模具中，然后連同模具一起放置在鋪有耐高溫PET膜的不銹鋼平板上，置于平板硫化機(jī)電熱平板上，在100 ℃下預(yù)熱60 s，將裁剪成尺寸為8 cm×8 cm的針刺中空短纖非織造布鋪放于其上，再鋪放一層耐高溫PET膜和一塊不銹鋼平板。開啟硫化機(jī)使上下電熱平板閉合，在100 ℃無(wú)壓狀態(tài)下壓制10 s使材料黏合。取出待完全冷卻后，去除不銹鋼板、模具等，即可獲得以HF材料為芯層的三層材料。

1.2.3 小結(jié)

本文制備的層合材料的基本參數(shù)見(jiàn)表1，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

表1 層合材料的基本參數(shù)

圖2 層合材料的結(jié)構(gòu)示意

2 吸聲性能測(cè)試

采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SW230系列阻抗管對(duì)制取的層合材料進(jìn)行吸聲性能測(cè)試，儀器安裝示意見(jiàn)圖3。根據(jù)GB/T 18696.2—2002《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量第2部分傳遞函數(shù)法》進(jìn)行吸聲性能測(cè)試。測(cè)試前，將各層合材料裁剪成直徑為8 cm的圓形試樣。

圖3 吸聲性能測(cè)試儀器示意

3 吸聲性能測(cè)試結(jié)果分析

3.1 雙層材料吸聲性能

單層材料與雙層材料以針刺中空短纖非織造布一側(cè)為入射面時(shí)的吸聲性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖4所示。由圖4可以看出，雙層材料HF1-NP、HF2-NP和HF1-NKP在頻率為2 500 Hz處的吸聲系數(shù)分別為0.598、0.758和0.805，且對(duì)應(yīng)吸聲系數(shù)大于0.200的有效頻率范圍(簡(jiǎn)稱有效頻率范圍)為1 150～2 500、1 100～2 500和650～2 500 Hz。在有效頻率范圍內(nèi)，各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)吸聲系數(shù)的平均值分別為0.421、0.489和0.508。相對(duì)于NP和NKP材料，層合了HF1材料后，所得HF1-NP、HF1-NKP材料吸聲性能的改善規(guī)律近乎一致。但HF1-NKP材料吸聲性能改善的頻率起點(diǎn)更低，為650 Hz，HF1-NP材料為1 050 Hz，且HF2-NP材料僅在頻率高于1 350 Hz時(shí)吸聲性能才有較大的改善，并且隨著頻率的增大，改善效果越來(lái)越明顯。這一規(guī)律與HF2材料相比HF1材料的吸聲改善情況類似，僅吸聲性能改善的頻率起點(diǎn)向低頻方向移動(dòng)。綜合考慮改善的效果及材料厚度，若只需改善材料1 500 Hz以上中高頻域的吸聲性能，采取增加HF材料厚度的方式相對(duì)適宜。

圖4 單層材料與雙層材料以針刺中空短纖非織造布為入射面時(shí)的吸聲性能對(duì)比

雙層材料之所以呈現(xiàn)圖4所示的吸聲特性，原因可能是雙層材料以針刺中空短纖非織造布為入射面，聲波一部分被反射，其余進(jìn)入非織造布中，而非織造布纖維之間空隙的存在及中空短纖維內(nèi)靜止空氣的存在，引起了入射聲波作用下空氣的黏滯和摩擦作用，從而產(chǎn)生能耗并導(dǎo)致聲波衰減。與此同時(shí)，纖維相互之間的振動(dòng)摩擦作用也使聲波衰減，但基于多孔材料的吸聲特性，NP和NKP材料在中高頻域的吸聲性能好，在中低頻域的吸聲性能差[10-11]。聲波經(jīng)反射和非織造布的衰減作用，透過(guò)的聲波在1 250 Hz 以上頻域已較弱，入射到HF材料表面后，同樣，部分聲波被反射，并再次進(jìn)入NP或NKP材料中，其余進(jìn)入HF1或HF2材料內(nèi)部，聲波在HXNBR黏彈性阻尼損耗、纖維黏滯和振動(dòng)摩擦耗能、空氣的振蕩黏滯及腔壁的摩擦耗能共同作用下衰減。但HF1和HF2材料因其多孔材料吸聲特性而在中高頻域具有良好的吸聲性能，在低于1 500 Hz的中低頻域幾乎無(wú)吸聲作用。而進(jìn)入HF1和HF2材料的聲波在中高頻域較弱，因此其對(duì)聲波的衰減作用不明顯。綜合作用下，雙層材料對(duì)聲波的作用表現(xiàn)出多孔材料的吸聲特性，各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸聲系數(shù)均有一定程度的提高，但中低頻域的吸聲性能并無(wú)顯著改善。

以HF材料一側(cè)為入射面時(shí)，雙層材料的吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，此時(shí)材料所呈現(xiàn)的吸聲特性與以針刺中空短纖非織造布為入射面時(shí)的截然不同。吸聲系數(shù)隨著頻率的增大而逐漸提高，增至一定的峰值后開始下降。HF1-NP、HF2-NP和HF1-NKP的吸聲系數(shù)峰值分別為0.672、0.768和0.838，其對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)分別為800、750和750 Hz，有效頻率范圍分別為450～1 800、400～1 900和350～1 950 Hz，有效頻率范圍內(nèi)各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)吸聲系數(shù)的平均值分別為0.398、0.401和0.417。在低于1 000 Hz的頻域，HF1-NKP的吸聲性能最優(yōu)，HF2-NP次之，HF1-NP相對(duì)較差，但在高于1 000 Hz的頻域，三者差異不大?？烧J(rèn)為，增加HF的厚度或使用纖維中空度更高、孔隙更大且更厚的非織造布，均能使材料的吸聲系數(shù)峰值增大且其對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)降低，有效頻率范圍變寬。3種雙層材料中，HF1-NKP材料的吸聲性能最佳，但綜合考慮到材料的輕薄性及在中高頻域的吸聲情況，更適于采用增大HF材料厚度的方式來(lái)改善吸聲性能。

圖5 以HF材料為入射面時(shí)雙層材料的吸聲性能

以HF材料一側(cè)為入射面，雙層材料在低于500 Hz頻率范圍內(nèi)的吸聲性能如圖6所示。由圖6可看出，相對(duì)于單層材料HF1、HF2、NP和NKP，以HF材料一側(cè)為入射面的雙層材料在低頻域的吸聲性能改善較顯著，且整體上吸聲系數(shù)隨著頻率的增加而增大。綜合圖5和圖6可知，雙層材料以HF材料為入射面時(shí)，可顯著改善其在中低頻域的吸聲性能，但中高頻域的吸聲性能明顯下降(圖5)，并且即便增大HF厚度或使用更厚、中空及孔隙更優(yōu)的非織造布，其在中高頻域的吸聲性能改善效果也并不顯著。

圖6 以HF材料為入射面時(shí)雙層材料在低于500 Hz的低頻時(shí)的吸聲性能

HF材料的掃描電子顯微鏡(SEM)圖如圖7所示。由圖7可看出，HF材料為一種封閉式薄膜片狀材料，所有FHHPF均固化于橡膠基體中。雙層材料以HF材料為入射面而呈現(xiàn)出圖5所示的吸聲特性，是因?yàn)镠F材料層合的NP、NKP材料均為孔隙率大于90%的開放式多孔材料。NP、NKP中纖維之間的空隙及中空短纖維中包含的大量靜止空氣相互貫穿，形成空氣層，起到一種類似背部空腔的作用，產(chǎn)生了空腔共振結(jié)構(gòu)吸聲效果，且這一作用機(jī)理占主導(dǎo)地位[12]，抑制了HF和NP、NKP多孔材料吸聲機(jī)理的作用并使其處于輔助地位，由此雙層材料的整體吸聲機(jī)理發(fā)生了改變。雙層材料在中低頻域的吸聲性能顯著增強(qiáng)，吸聲系數(shù)峰值向低頻方向轉(zhuǎn)移，有效頻率范圍也整體向低頻方向移動(dòng)。此外，材料厚度增加也在一定程度上有助于中低頻域吸聲性能的提高，但材料在中高頻域的吸聲性能顯著下降。HF2-NP材料在中低頻域的吸聲性能優(yōu)于HF1-NP材料，是因?yàn)镠F2材料的厚度大于HF1材料。由圖4可知，材料越厚，共振作用越明顯，且共振頻率向低頻方向偏移，材料在低頻域的吸聲性能提高[5]23，故HF2材料的吸聲性能優(yōu)于HF1材料。HF1材料層合NKP后的材料相比層合NP后的材料(表1)更厚，孔隙率也更大，相當(dāng)于材料背部空腔更深，貫穿的空氣層引起的空腔共振作用也相對(duì)更強(qiáng)。除空腔共振作用外，因NKP材料更厚，其纖維之間振動(dòng)摩擦導(dǎo)致的聲能耗散作用也更強(qiáng)。因此，在吸聲頻帶向低頻方向移動(dòng)擴(kuò)延的同時(shí)，材料在中低頻域的吸聲系數(shù)增大，有效頻率范圍拓寬。這導(dǎo)致HF1-NKP材料在中低頻域的吸聲性能更優(yōu)，有效頻率范圍內(nèi)各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)吸聲系數(shù)的平均值也得以提高。

a) 截面

3.2 三層材料吸聲性能

三層材料的吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示，相應(yīng)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由圖8可知，兩類三層材料的吸聲系數(shù)變化規(guī)律相似，均先隨著頻率的增大而增大，在吸聲系數(shù)在達(dá)到峰值后開始下降。由表2可知，相比以HF材料為入射面時(shí)的雙層材料，三層材料的有效頻率范圍顯著拓寬。在有效頻率范圍內(nèi)，各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)吸聲系數(shù)的平均值也大幅提高，均大于0.560，屬于高效吸聲材料[13]。吸聲系數(shù)峰值也更大，但峰值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)相對(duì)較高?？傮w而言，三層材料在中低頻域吸聲性能顯著提高的同時(shí)，在中高頻域的吸聲性能也較優(yōu)，即實(shí)現(xiàn)了在更寬頻率范圍內(nèi)具有更優(yōu)的吸聲性能。

圖8 三層材料吸聲性能

表2 三層材料吸聲性能數(shù)據(jù)

以針刺中空短纖非織造布為芯層的三層材料的吸聲入射示意如圖9a)所示。根據(jù)前文關(guān)于雙層材料以HF材料為入射面時(shí)吸聲作用機(jī)理的分析知，聲波入射后，芯層針刺中空短纖非織造布層因存在大量靜止空氣而相互貫穿并形成空氣層，起到背部空腔共振吸聲作用，因此材料在中低頻域的吸聲性能優(yōu)異。此后，未受過(guò)多損耗吸收的中高頻聲波，穿越芯層進(jìn)入底層的HF材料，HF材料作為一種呈多孔材料吸聲特性的封閉式薄膜片狀材料，對(duì)中高頻聲波具有很好的衰減作用。而三層材料整體上更厚，這也有助于材料吸聲性能的提升，使得材料在中低頻域的吸聲性能顯著改善，同時(shí)在中高頻域的吸聲性能也較優(yōu)。

a) 以針刺中空短纖非織造布為芯層

HF1-NP-HF1、HF2-NP-HF2和HF1-NKP-HF1材料均在更寬的頻率范圍具有更好的吸聲性能。結(jié)合前文以HF材料為入射面時(shí)雙層材料的吸聲性能分析，以及HF2和HF1材料的吸聲性能分析可知，HF1-NKP-HF1的吸聲性能最優(yōu)，HF2-NP-HF2次之，HF1-NP-HF1的吸聲性能相對(duì)較差。

對(duì)于以HF材料為芯層的三層材料，在吸聲系數(shù)增至峰值后，隨著頻率的增大，材料的吸聲系數(shù)雖有下降，但降幅較小，總體而言變化相對(duì)平穩(wěn)。結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知，以HF材料為芯層的三層材料吸聲性能更好。根據(jù)圖9b)的入射示意，針刺中空短纖非織造布為入射面，入射聲波除了一部分被反射外，其余進(jìn)入針刺中空短纖非織造布。由圖4可知，NP、NKP材料在中高頻域的吸聲性能優(yōu)于HF材料，能更好地使中高頻聲波損耗衰減。經(jīng)衰減后的聲波穿過(guò)針刺中空短纖非織造布層后入射至HF材料表面，同樣部分聲波被反射并再次進(jìn)入針刺中空短纖非織造布，其余聲波進(jìn)入HF材料內(nèi)部。而HF材料背部還有一層針刺中空短纖非織造布，其中包含大量相互貫穿的空氣，所形成的空氣層起到一種背部空腔共振的吸聲作用，能很好地衰減中低頻聲波，使材料在中低頻的吸聲性能也得以改善。此外，由表1可知，以HF材料為芯層的三層材料更厚，這不僅有助于材料中低頻域吸聲性能的改善，而且能增強(qiáng)材料的整體吸聲性能。因此，以HF材料為芯層的三層材料在中低頻域的吸聲性能優(yōu)異，并且在中高頻域的吸聲性能也很好，其總體吸聲性能優(yōu)于以針刺中空短纖非織造布為芯層的三層材料。

對(duì)比NP-HF1-NP和NKP-HF1-NKP材料，由于入射層NKP的吸聲性能優(yōu)于NP，且NKP的厚度大于NP，同時(shí)其孔隙率為94%，高于NP的孔隙率(90%)，因此存在的空氣層更多，所起的空腔作用深度更大，共振吸聲作用更強(qiáng)，材料吸聲系數(shù)峰值向低頻方向移動(dòng)。此外，除空腔共振吸聲作用外，NKP材料纖維之間相互接觸振動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦耗能作用也更強(qiáng)。因此總體而言，NKP-HF1-NKP材料的吸聲系數(shù)峰值更高，其有效頻率范圍也更寬，吸聲性能優(yōu)于NP-HF1-NP。而NP-HF2-NP相比于NP-HF1-NP，因HF2的吸聲性能優(yōu)于HF1，且材料更厚，因此在NP相同的情況下，經(jīng)入射層NP作用后，HF2-NP比HF1-NP在低頻域的吸聲性能更好，吸聲系數(shù)峰值也更大，并呈向低頻方向移動(dòng)的趨勢(shì)。因此NP-HF2-NP的總體吸聲性能優(yōu)于NP-HF1-NP。

4 結(jié)論

將HF材料與針刺中空短纖非織造布層合，制備系列雙層、三層材料，并對(duì)材料的吸聲性能進(jìn)行測(cè)試與分析，得出如下研究結(jié)論。

(1) 對(duì)于HF材料與針刺中空短纖非織造布層合的雙層材料，選取的入射面不同，材料將呈現(xiàn)出截然不同的吸聲特性。以NP或NKP材料為入射面時(shí)，層合材料呈現(xiàn)出多孔吸聲材料的特性。以HF材料為入射面時(shí)，層合材料在中低頻域的吸聲性能顯著改善且吸聲性能較優(yōu)，但相應(yīng)材料在中高頻域的吸聲性能顯著下降。

(2) 三層材料的吸聲性能優(yōu)于雙層材料，實(shí)現(xiàn)了各頻域較優(yōu)的吸聲性能，且有效頻域更寬。整體而言，以HF材料為芯層的三層材料的吸聲性能更優(yōu)。

(3) 雙層材料以針刺中空短纖非織造布為入射面時(shí)，通過(guò)增大HF材料厚度或采用更厚同時(shí)孔隙率更大的針刺中空短纖非織造布，可使雙層材料的整體吸聲性能進(jìn)一步提高；以HF材料為入射面時(shí)，通過(guò)增大HF材料厚度或采用更厚同時(shí)孔隙率更大的針刺中空短纖非織造布，可提升材料在中低頻域的吸聲性能。

(4) 對(duì)于三層材料，增大HF材料厚度或采用更厚同時(shí)孔隙率更大的針刺中空短纖非織造布，可使材料的吸聲系數(shù)峰值及其對(duì)應(yīng)頻率向低頻方向移動(dòng)，材料整體吸聲性能也得以提升，且采用改變針刺中空短纖非織造布參數(shù)的方式，材料的吸聲效果改善程度更顯著。