紡織類(lèi)吸聲隔聲材料的研究現(xiàn)狀

彭　敏，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

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紡織類(lèi)吸聲隔聲材料的研究現(xiàn)狀

彭敏，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

紡織類(lèi)吸聲隔聲材料的研究開(kāi)發(fā)目前已成為一個(gè)重要的研究方向。論述了紡織類(lèi)吸聲隔聲材料的研究現(xiàn)狀，相關(guān)的吸聲隔聲產(chǎn)品及其不足，未來(lái)可以努力的方向。

紡織吸聲隔聲材料吸聲隔聲性能

隨著全球工業(yè)的發(fā)展，人類(lèi)的生活水平越來(lái)越高，但隨之而來(lái)的是空氣污染、水污染、噪音污染等一系列的環(huán)境問(wèn)題，給人們的衣食住行造成了很多問(wèn)題，其中噪音污染給人類(lèi)帶來(lái)的危害是巨大的，但同時(shí)也是十分容易被忽略的。目前，在日常生活中噪音的污染源主要來(lái)自于汽車(chē)的車(chē)?guó)Q聲，施工工地的施工建設(shè)等，這些聲音輕則會(huì)讓人感到心情煩躁、耳鳴、注意力難以集中，重則可能會(huì)引發(fā)心臟類(lèi)疾病，危害到人類(lèi)的生命。因此，如何有效地解決或減輕這些由噪音污染所帶來(lái)的危害已成為一個(gè)必不可少的任務(wù)。除了噪音污染會(huì)給人類(lèi)及其他生物帶來(lái)身體上的危害外，在現(xiàn)如今這個(gè)人們?cè)絹?lái)越重視隱私的社會(huì)，增強(qiáng)房間之間或室內(nèi)外的隔音效果，保護(hù)個(gè)人的隱私也成為大家比較期望的。

對(duì)于聲音的防治措施通常為聲音源的防治及聲音傳播過(guò)程的防治，對(duì)于噪音防治兩種方法皆是可行的，但受到工藝技術(shù)的限制，對(duì)噪音源的防治并不是對(duì)所有噪音源都適用；對(duì)于房間之間的隔音功能則通常只能從聲音的傳播過(guò)程中進(jìn)行防治。本文主要論述紡織類(lèi)的吸聲隔聲材料在噪音污染及聲音隔音中的防治作用。

1　吸聲隔聲材料介紹

吸聲隔聲材料即具有吸聲性能及隔聲性能的材料。評(píng)價(jià)其吸聲隔聲性能的指標(biāo)有很多，但通常用吸聲系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)材料吸聲性能的好壞，用隔聲量來(lái)評(píng)價(jià)材料的隔聲性能。吸聲系數(shù)的值越大,表示該種材料的吸聲性能就越好[1]。通常把吸聲系數(shù)>0.2的材料稱(chēng)為吸聲材料[2-4]。測(cè)量吸聲系數(shù)通常有兩種方法：混響室和阻抗管?；祉懯曳ㄊ怯脴?biāo)本吸收隨機(jī)發(fā)生的聲波，其測(cè)試結(jié)果較符合實(shí)際，但其對(duì)樣品和環(huán)境的要求比較高；阻抗管法則是進(jìn)行正入射吸收，只需要小標(biāo)本即可。

2　聲音在紡織類(lèi)吸聲隔音材料中的傳播

聲音在傳播過(guò)程中會(huì)遇到不同的“障礙物”，并發(fā)生聲音的反射、透射等現(xiàn)象，使得聲波的能量發(fā)生變化。對(duì)于紡織類(lèi)的吸聲隔聲材料，當(dāng)聲波入射到其表面時(shí)，一部分聲波發(fā)生反射，即不進(jìn)入材料，起到一定的隔音效果，剩余的聲波則進(jìn)入材料，聲波的進(jìn)入會(huì)使得材料內(nèi)部的纖維及氣體發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生摩擦，氣體與纖維之間的相互摩擦和粘滯阻力以及纖維自身的導(dǎo)熱性能，會(huì)使得進(jìn)入該吸聲隔聲材料的聲波能量一部分轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，從而使得進(jìn)入的聲波能量再次減弱，透射過(guò)該材料而未被反射或吸收的聲波則繼續(xù)傳播，對(duì)于吸聲隔音效果越好的材料，透射過(guò)材料的聲能也就越少。吸聲隔聲材料其吸聲隔聲效果還與其原材料纖維的選擇、厚度、容重、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素有關(guān)。

3　國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及常見(jiàn)紡織類(lèi)吸聲隔聲材料

3.1國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)紡織類(lèi)吸聲隔聲材料的研究多數(shù)是對(duì)其原材料的研究，尋找自身具有良好吸聲隔聲性能的原材料并對(duì)其進(jìn)行加工，得到一定的研究成果或產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的研究主要是在一些較為傳統(tǒng)的原材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，如汽車(chē)內(nèi)飾非織造材料的吸聲隔聲性能、棉麻制品的吸聲性能等。國(guó)外的研究方向則在于將一些高性能的纖維加工成為一些產(chǎn)品，如納米纖維、玻璃纖維等。

3.2紡織類(lèi)吸聲隔聲材料的類(lèi)型

以下是紡織類(lèi)吸聲隔聲材料目前常用的原材料及研究現(xiàn)狀。

(1)動(dòng)植物纖維

最早期使用的吸聲隔聲材料并未對(duì)纖維或材料做任何的特殊處理，而是直接利用天然纖維所制成的材料柔軟、多孔的特性對(duì)聲音進(jìn)行隔離吸收。

天然纖維中最常用作吸聲隔聲材料的是動(dòng)物纖維和植物纖維。動(dòng)物纖維用作吸聲隔聲材料原料最常用的是羊毛纖維，即將羊毛纖維進(jìn)行處理制成羊毛氈、羊毛毯等制品，由羊毛加工而成的制品，其吸聲性能優(yōu)良。據(jù)研究表明密度36kg/m3,厚度50 mm的實(shí)貼羊毛氈的降噪系數(shù)(NRC)能達(dá)到0.90[5]。良好的降噪性能能使室內(nèi)的聲音變得柔和，使人感覺(jué)到舒適，而且導(dǎo)熱系數(shù)小，有很好的保溫的功效，并且羊毛制品給人感覺(jué)高貴大氣，在吸聲保溫的同時(shí)還可以起到裝飾的作用，很適宜在室內(nèi)使用。作為天然纖維，羊毛制品通?？山到猓粫?huì)對(duì)環(huán)境造成過(guò)大的污染，因此羊毛吸聲制品也被認(rèn)為是新一代的綠色環(huán)保建筑聲學(xué)材料，受到將為廣泛的運(yùn)用。2007年謝曉麗等[6]對(duì)羊毛吸聲材料的聲學(xué)性能進(jìn)行了分析，認(rèn)為羊毛吸聲材料的吸聲性能與其厚度及表面處理有關(guān)，厚度越厚，其吸聲性能越好，并且如果在羊毛氈的表面附上鋁箔，也可以有效的提高其吸聲系數(shù)。2013年鐘祥璋等[7]在對(duì)羊毛制品的特性研究時(shí)指出，除羊毛氈外，羊毛吸聲板也具有很多優(yōu)良的性能。在一些人流量較大的地方，如大型的購(gòu)物商場(chǎng)、車(chē)站、醫(yī)院等地，采用羊毛吸聲板進(jìn)行裝修，可以起到高效的吸聲控制，減少人流噪音對(duì)人造成的影響，創(chuàng)造一個(gè)舒適的聲環(huán)境，并且這種羊毛吸聲板外形美觀，還能起到很好的裝飾作用。

棉纖維、麻纖維及木質(zhì)纖維等植物纖維加工而成的制品，通常都具有一定的吸聲隔聲性能，如厚度均為5 cm、容重為117.2 kg/m3的麻纖維層在頻率為125BZ～800BZ內(nèi)，其平均吸聲系數(shù)為0.42[8]。最常見(jiàn)的由天然纖維加工而成的具有吸音隔音用途的制品是窗簾、幕布及汽車(chē)內(nèi)飾非織造布等。

對(duì)于動(dòng)植物纖維，由于其取材方便，并且可降解，對(duì)環(huán)境的危害小，在早期時(shí)應(yīng)用較廣泛，但天然的動(dòng)植物纖維作為吸聲隔聲材料的原料也具有很多缺點(diǎn)，由其加工而成的材料通常防火、抗酸堿、抗腐蝕性差，且易蛀蟲(chóng)、易老化，不適宜長(zhǎng)期使用，更不適宜在室外使用，而在噪音的防治中，很多吸聲隔聲材料是需要放置在室外使用的，這就使得其使用受到了一定的限制。

(2)無(wú)機(jī)纖維

無(wú)機(jī)纖維是以天然無(wú)機(jī)物或含碳高聚物纖維為原料，通過(guò)直接碳化或人工抽絲制成的。隨著無(wú)機(jī)纖維的出現(xiàn)，很多吸聲隔聲材料的研究與應(yīng)用開(kāi)始漸漸轉(zhuǎn)向使用無(wú)機(jī)纖維。如玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、巖棉纖維等都是吸聲性能較好的礦物纖維，這類(lèi)纖維相比動(dòng)植物纖維有其優(yōu)點(diǎn)但也有其不足。與動(dòng)植物纖維相反，礦物纖維通常具有不易燃、不易蛀蟲(chóng)、不易老化、不易腐蝕并且強(qiáng)度高、成本較為低廉、制品較為輕薄等優(yōu)點(diǎn)。如洪翠寶指出，一般的水泥墻通常是將噪音反射，雖然能夠起到隔音的效果，但噪音并未被消除，這樣會(huì)增大水泥墻前面的噪音。而法國(guó)GTM和Bertin公司針對(duì)這一問(wèn)題將水泥和玻璃纖維進(jìn)行混合，制造出玻璃纖維水泥吸聲墻，這種吸聲墻具有很好的吸聲性能，能有效地減弱聲波，并且經(jīng)按法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)531003測(cè)定,在標(biāo)準(zhǔn)的道路上噪聲可降低27分貝。但這類(lèi)纖維也有其嚴(yán)重的不足，這類(lèi)纖維雖然強(qiáng)度高，但纖維脆，在使用過(guò)程中容易折斷而形成粉塵，對(duì)環(huán)境造成很大的污染，甚至?xí)绊懞粑?，引起身體的不良反應(yīng)。近年來(lái)，越來(lái)越多的環(huán)境和衛(wèi)生專(zhuān)家經(jīng)研究表明，這類(lèi)無(wú)機(jī)材料對(duì)環(huán)境及人體健康都是有害的。因此，如果無(wú)法找到相應(yīng)的解決方案來(lái)彌補(bǔ)無(wú)機(jī)纖維材料的不足，隨著人們對(duì)環(huán)境和健康安全的日益重視，這類(lèi)材料也無(wú)法繼續(xù)廣泛的使用。

(3)合成纖維

將合成纖維用作吸聲隔聲材料的制造也是近幾年比較常見(jiàn)的研究方向，這類(lèi)合成纖維主要有聚丙烯纖維、聚酯纖維、聚酰胺纖維等。如2015年臧傳鋒等[9]對(duì)滌綸非織造吸聲材料的吸聲性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由滌綸制成的樣品具有良好的吸聲效果，并且在一定的厚度內(nèi)，纖維越細(xì)，厚度越厚，其吸聲效果也越好。使用合成纖維制成吸聲隔音材料有很多好處。其原料的成本不高，可以較為廣泛的使用，其化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，適用于長(zhǎng)期使用，并且如果能夠回收相關(guān)廢棄物再將其制造成為吸聲隔聲材料，便可以起到原料的再利用。但就目前為止，將合成材料加工成為吸聲隔聲性能較好的材料技術(shù)還不夠成熟，需要進(jìn)一步的研究。

(4)金屬纖維

隨著不斷的發(fā)展，由金屬纖維[10]為原料的吸聲材料開(kāi)始作為新型的吸聲材料出現(xiàn)，金屬纖維也屬于無(wú)機(jī)纖維中的一類(lèi)，它具備無(wú)機(jī)纖維具有的優(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)度高、不易燃、不易老化、防潮、抗氧化等，同時(shí)與玻璃纖維等無(wú)機(jī)纖維相比，由金屬纖維制成的吸聲隔聲材料較為環(huán)保，不管是制作過(guò)程還是使用過(guò)程中都不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)太大的傷害，算是較為理想的一種吸聲隔聲材料的原材料。但金屬纖維的成本較高，所以無(wú)法做到大批量地進(jìn)行生產(chǎn)使用。

目前制作吸聲隔聲材料較常用的金屬纖維原料有很多，如鋁纖維、鈦纖維、不銹鋼纖維、銅纖維等。如2005年王佐民等人在研究金屬纖維的吸聲性能時(shí)指出，在高溫下由金屬纖維加工而成的多孔吸聲隔聲材料的高頻吸聲性能雖有所下降，但仍然具有較好的吸聲效果，如鐵鉻鋁纖維多孔材料在溫度為500℃、頻率為950BZ～2000BZ時(shí)，其平均吸聲系數(shù)仍大于0.7。2013年Nicolas Lippitz等[11]指出，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲可以通過(guò)安裝多孔襯墊的消聲器來(lái)降低，而在高熱量、高腐蝕性以及疲勞負(fù)載下，由傳統(tǒng)材料制造的消聲器是無(wú)法使用的，但由金屬纖維制成的消聲器則可以在此環(huán)境下使用，并且其消聲效果取決于金屬纖維氈的厚度、大小、形狀和氈上孔的開(kāi)孔數(shù)、孔的密度及大小等。除此之外，金屬纖維還有很多優(yōu)良的特性，如鋁纖維等還具有對(duì)電磁波的屏蔽作用。

(5)高性能纖維

除了傳統(tǒng)的纖維外，對(duì)于新型纖維的開(kāi)發(fā)也是一個(gè)很重要的研究方向?，F(xiàn)在運(yùn)用較多的新型纖維有納米纖維及一些復(fù)合纖維材料，但對(duì)于這方面的研究目前并不是很多。如在2012年Youngjoo Na等[12]在其文章中介紹了納米纖維作為一種新型的吸聲材料，在頻率范圍1000BZ～4000BZ時(shí)，納米纖維層的吸收系數(shù)較超細(xì)纖維織物更好。由納米纖維加工而成的吸聲隔聲材料具有較好的抑制或減少聲音的降噪能力，能將聲波的反射能量轉(zhuǎn)化為熱能，其吸聲性能受到該紡織材料的結(jié)構(gòu)、密度、厚度和加工方法的影響。2013年徐晟等[13]發(fā)現(xiàn)竹原纖維 / 聚氨酯復(fù)合隔音材料作為一種低密度薄層的隔音材料，不僅具有隔音效果并且還能發(fā)揮出竹原纖維抗菌除臭及防紫外線的優(yōu)良特性。

3.3常見(jiàn)的吸聲隔聲紡織類(lèi)產(chǎn)品

(1)窗簾

早期人們購(gòu)買(mǎi)窗簾，主要根據(jù)其遮光性是否優(yōu)良、外觀是否美觀作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，隨著噪音污染的日益嚴(yán)重，特別是對(duì)生活在車(chē)道兩旁的居民們，汽車(chē)的車(chē)?guó)Q聲給人們?cè)斐闪藰O大的困擾，嚴(yán)重影響其睡眠、學(xué)習(xí)及工作的效率，在購(gòu)買(mǎi)窗簾時(shí)，窗簾是否具有一定的吸聲隔聲性已漸漸成為消費(fèi)者評(píng)價(jià)窗簾的標(biāo)準(zhǔn)之一。

(2)地毯

地毯是最常見(jiàn)的裝飾類(lèi)紡織品之一，地毯不僅可以對(duì)房間起到裝飾、保溫的作用，并且具有良好的吸聲效果。當(dāng)聲波入射到地毯上時(shí)會(huì)有部分聲波被地毯吸收從而減弱了聲波的能量，使得室內(nèi)的聲音變得清晰柔和，不會(huì)感到刺耳。目前，國(guó)內(nèi)外有很多生產(chǎn)地毯的企業(yè)都會(huì)將地毯的吸聲效果作為其選擇纖維原料、地毯的厚度及結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)之一，并且在不同的場(chǎng)合對(duì)地毯吸聲效果的需求都會(huì)有所不同。

(3)汽車(chē)內(nèi)飾

汽車(chē)噪聲主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音、輪胎與地面摩摖的噪音、行駛過(guò)程中風(fēng)的噪音及車(chē)廂內(nèi)的噪音等。這些噪音如果不能及時(shí)的被消除，會(huì)對(duì)車(chē)內(nèi)人員造成很大的傷害。特別是對(duì)于駕駛員，噪音會(huì)使其精神難以集中，容易引發(fā)交通事故。因此，現(xiàn)在的汽車(chē)內(nèi)飾材料通常都是具有吸聲隔聲功能的。例如在汽車(chē)的地板上貼上吸音墊或具有吸聲隔聲功能的地毯用于隔絕地板與車(chē)外地面的噪音，在車(chē)門(mén)擠車(chē)后的行李箱中鋪設(shè)吸音毯以起到吸聲隔聲的效果。美國(guó)通用公司、日本尼桑公司、德國(guó)Wcrke公司等很多全球較大的汽車(chē)生產(chǎn)商都致力于研究新型的紡織類(lèi)吸聲隔聲材料，使得其降噪性能更高，保持汽車(chē)內(nèi)舒適安靜的環(huán)境。

(4)消聲器

消聲器是目前運(yùn)用比較廣泛的降噪產(chǎn)品，根據(jù)其實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境對(duì)消聲器的實(shí)際要求是不同的。在普通環(huán)境下的消聲器，用一些天然纖維或再生纖維做一定的加工，即可實(shí)現(xiàn)其消聲作用。但對(duì)于一些高溫、高壓環(huán)境下使用的消聲器，則需要運(yùn)用一些特殊的材料。目前運(yùn)用較為廣泛的是使用金屬纖維或一些耐高溫高壓的纖維復(fù)合材料作為原料加工而成的消聲器，如運(yùn)用在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的消聲器等。

(5)其他產(chǎn)品

隔聲板、隔音門(mén)窗等也是目前研究的方向之一。在國(guó)內(nèi)外研究人員將具有隔聲功能的材料與其他原料如水泥等混合，加工成為吸聲隔聲水泥墻，運(yùn)用于建筑中；將隔聲板安放在公路兩旁，將公路兩旁的居民與汽車(chē)的噪音隔離，營(yíng)造一個(gè)安靜舒適的居住環(huán)境。這一類(lèi)的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)處在研究階段的較多，真正的運(yùn)用并不是十分廣泛。

4　不足與研究方向

目前對(duì)于紡織類(lèi)的吸聲隔聲材料吸聲性能的改性，主要還是在原材料纖維的選擇上，但每一種纖維都有其優(yōu)缺點(diǎn)，并且在加工制作吸聲隔聲材料時(shí)，我們考察的已不僅是其吸聲隔音的功能，還要因?yàn)閷?shí)際情況使其附加上別的性能。因此，單純的進(jìn)行物理改性或原材料的改變已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際的需求，我們需要更加深入的研究，研究方向主要分為以下幾點(diǎn)：

(1)對(duì)高性能纖維或紡織類(lèi)吸聲隔聲復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)

由具有高吸聲性能的纖維原材料加工而成的吸聲隔聲材料，在不進(jìn)行任何后處理的情況下也能具有較好的吸聲隔聲作用，因此對(duì)新的纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)是十分必要的。單一的纖維原料總會(huì)有其缺陷和不足，開(kāi)發(fā)新型纖維復(fù)合材料可以使其能發(fā)揮出兩種材料的優(yōu)點(diǎn)、彌補(bǔ)其不足。

(2)研究材料的結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響

不同的織物結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響是十分明顯的，如通常情況下非織造物的吸聲性能高于機(jī)織物的吸聲性能，因此我們可以通過(guò)改變材料的結(jié)構(gòu)、密度等參數(shù)，從而研究在不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下對(duì)其吸聲性能的影響。

(3)對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)處理

當(dāng)材料的原材料及結(jié)構(gòu)受限或無(wú)法提高其吸聲隔音性能時(shí)，能否采用一定化學(xué)處理的手段如涂層、改性等提高其吸聲隔聲性能或增加一些其他的實(shí)際需求的功能，這是未來(lái)研究的重要方向之一。

5　結(jié)語(yǔ)

紡織材料作為吸聲隔聲材料有著很多優(yōu)勢(shì)，但研究表明，國(guó)內(nèi)外研究紡織類(lèi)吸聲隔聲材料的研究人員雖然不少，但研究的內(nèi)容都相對(duì)比較單一，通常都是對(duì)其原材料的研究比較多，很少對(duì)其相應(yīng)的產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)及性能的測(cè)試，缺少對(duì)紡織類(lèi)吸聲隔聲材料實(shí)用性的開(kāi)發(fā)。如何在兼顧成本、保證性能、保護(hù)環(huán)境的前提下，將新材料、新工藝運(yùn)用于紡織類(lèi)吸聲隔聲材料中，使其在家居、交通、航空等方面發(fā)揮更大的作用，是我們需要努力的方向，也是未來(lái)吸聲隔聲材料發(fā)展的一大趨勢(shì)。

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1008-5580(2016)03-0199-04

2016-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)

彭敏(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料的吸聲隔聲機(jī)理。

趙曉明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

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