羊毛及其混合纖維非織造材料的吸聲性能

欒巧麗， 邱 華， 成 鋼， 劉曉燕

(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇科博世羊毛建材科技有限公司， 江蘇 無錫 214208)

羊毛及其混合纖維非織造材料的吸聲性能

欒巧麗1， 邱 華1， 成 鋼2， 劉曉燕1

(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇科博世羊毛建材科技有限公司， 江蘇 無錫 214208)

為優(yōu)化羊毛非織造材料的吸聲性能，以羊毛、毛/滌、毛/麻3種材料制備非織造材料。通過阻抗管對3種非織造材料的吸聲性能進行測試，分析了聲波頻率在250～6 300 Hz范圍內(nèi)，材料的纖維種類、厚度和空腔深度對其吸聲性能的影響。結(jié)果表明：3種材料的平均吸聲系數(shù)均大于0.2，純毛非織造材料的吸聲性能略好于毛/滌與毛/麻非織造材料；通過增加材料厚度或設(shè)置空腔的方式均可提高材料全頻段(尤其中低頻段)的吸聲性能，其中厚度對材料吸聲系數(shù)的影響程度更大；從環(huán)保、材料價格、便于施工等方面考慮，以厚度為6 mm的毛/麻非織造材料作為吸聲材料，并設(shè)置6 mm的空腔，即可達到較為優(yōu)異的低頻吸聲性能。

羊毛； 毛/麻； 毛/滌； 非織造材料； 厚度； 空腔； 平均吸聲系數(shù)

噪聲是一種無形的污染，不僅會影響人們正常的生活、工作和身體健康，還會加速建筑物和機械的老化[1]。在城市建筑、工業(yè)制造、交通工具等領(lǐng)域，迫切需要經(jīng)濟有效的吸聲材料[2-4]。隨著社會的不斷進步，以玻璃棉、巖棉等無機纖維和以聚酯、聚丙烯等有機合成纖維制備的多孔吸聲材料由于易產(chǎn)生固體廢棄物，不易降解等缺點，在實際的使用過程中有很大的局限性。而以天然纖維為原料制備的多孔吸聲材料，在過去由于纖維來源較少、價格昂貴，沒有大面積使用。隨著環(huán)保意識的不斷增強，人們逐漸意識到天然纖維作為可再生資源，可二次利用，材料的生產(chǎn)成本也得以降低，并且其吸聲性能優(yōu)良，使得天然纖維多孔吸聲材料重回大眾視野，成為吸聲材料重要的研究方向之一。

國內(nèi)外有學者對天然纖維非織造材料的吸聲性能進行了研究。Xiang等[5]對木棉纖維材料的吸聲性能進行了分析。由于木棉纖維的中空結(jié)構(gòu)，與其他天然纖維相比，其吸聲性能更具優(yōu)勢。胡鳳霞等[6]采用駐波管法測試黃麻纖維、苧麻纖維、大麻纖維針刺氈的吸聲系數(shù)，認為黃麻的吸聲性能最好。Krucin等[7]以廢舊棉纖維和由廢舊亞麻纖維經(jīng)酶催化和機械處理得到的超短和超細纖維為增強材料，與聚乳酸纖維進行復合，制備得到的熱塑性復合材料吸聲性能優(yōu)異。

羊毛纖維可用于制備吸聲材料[8]，自20世紀90年代以來得到廣泛關(guān)注。Patnaika等[9]用廢舊羊毛纖維和回收利用的聚酯纖維針刺成非織造氈，其中分別以羊毛氈和聚酯氈為單層復合而成的雙層氈，其熱傳導性、吸聲性能、吸水性能、防火性能最為優(yōu)異。

本文選取羊毛纖維、黃麻纖維和滌綸為原料制備羊毛及其混合纖維非織造材料，著重研究3種纖維對材料吸聲性能的影響，并通過增加厚度、空腔的方式提高材料的吸聲性能以及分析厚度、空腔對材料吸聲性能的影響程度，以期開發(fā)出資源節(jié)約和綠色環(huán)保的非織造建筑吸聲材料。

1 實驗部分

1.1 試樣制備

1.1.1 實驗材料

羊毛纖維(細羊毛和廢舊粗羊毛)、黃麻纖維和聚酯纖維，均由江蘇科博世羊毛建材科技有限公司提供。

羊毛表面具有鱗片層，使得羊毛具有縮絨性。細羊毛纖維長度為50～150 mm，纖維直徑為20～100 μm。細羊毛的鱗片大都呈環(huán)狀覆蓋，重疊多，縮絨性較好。廢舊羊毛纖維長度為65～125 mm，直徑為50～200 μm。廢舊羊毛是不適合用于紡紗織造的粗短羊毛，是毛紡工業(yè)的下腳料，一般沒有服裝用價值。但廢舊羊毛保溫性能和防火性能較好，利用廢舊羊毛制備非織造吸聲材料，實現(xiàn)了對資源的合理利用，降低了生產(chǎn)成本，具有現(xiàn)實的應用價值。黃麻纖維是不規(guī)則多角形纖維細胞集合在一起的纖維束，纖維粗短。黃麻纖維長度為25～45 mm，直徑為18～40 μm。黃麻具有吸濕性好、抗菌性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是最廉價的天然纖維之一，可作為與羊毛纖維混合的原料。滌綸表面光滑，長度為9 mm，直徑為15～25 μm，作為應用最為廣泛的合成纖維，不霉不蛀，也可作為與羊毛纖維混合的原料之一。

1.1.2 主要實驗儀器及設(shè)備

ES1200型電子天平、YG141型織物厚度儀、SU1510型掃描電鏡、SW422型阻抗管。

1.1.3 試樣的基本規(guī)格

根據(jù)纖維種類制備了3種非織造吸聲材料：純毛材料、毛/滌綸材料、毛/麻材料。純毛材料中的羊毛選用的是細羊毛，毛/滌綸材料、毛/麻材料選用的是粗羊毛。制備的3種非織造材料的基本規(guī)格見表1。

表1 非織造材料的基本規(guī)格Tab.1 Basic specifications of wool nonwoven materials

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品裁剪

在實驗前每種樣品分別按模具尺寸裁剪成直徑為100、30 mm的圓形薄片，供實驗使用。裁剪后的毛/麻材料如圖1所示。

圖1 裁剪后的毛/麻材料Fig.1 Wool/jute material after cutting

1.2.2 吸聲系數(shù)的測定

阻抗管是一根內(nèi)壁光滑、堅硬的圓柱管，內(nèi)徑分別為100 mm(供低頻用)或30 mm(供高頻用)，長為1～2 m。被測樣品裝在管的一端，剛性后蓋板與阻抗管的管壁嚴格密封，以免漏聲。管的另一端是聲源，控制發(fā)出聲源的強度和頻率，揚聲器接收正弦信號發(fā)生器信號源，得到純音信號，并向管中輻射平面波。聲波在管中傳播，入射樣品，并產(chǎn)生反射。反射波與入射波方向相反，相互疊加，在阻抗管中形成駐波[10]。

采用駐波管法測量3種材料在250～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)1/3倍頻程的15個頻帶的吸聲系數(shù)α。用平均吸聲系數(shù)來評價材料的吸聲性能，即材料在125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz 6個倍頻帶吸聲系數(shù)的平均值，通常認為平均吸聲系數(shù)大于0.2的材料稱為吸聲材料[11]。

圖3 3種羊毛非織造材料的電鏡照片(×200)Fig.3 SEM images of three types of nonwoven materials(×200).(a)Wool material; (b)Wool/polyester material; (c)Wool/jute material

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維混合比對吸聲性能的影響

為研究非織造材料吸聲性能與纖維種類的關(guān)系，在保持材料面密度(210 kg/m3)和材料厚度(6 mm)基本相同的情況下，分別測試純毛材料、毛/滌綸材料、毛/麻材料在250～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同種類纖維的非織造材料的吸聲性能Fig.2 Sound absorption properties of nonwoven materials with different fiber species

從圖2可看出，3種樣品在整個頻率范圍內(nèi)吸聲系數(shù)基本呈逐漸上升的趨勢，且純毛材料在5 000 Hz時達到最大吸聲系數(shù)0.89，毛/滌綸材料和毛/麻材料在6 300 Hz的最大吸聲系數(shù)分別為0.78和0.70。經(jīng)計算得出，純毛材料、毛/滌綸材料、毛/麻材料的平均吸聲系數(shù)分別為0.28、0.26、0.26，所以3種材料均可作為吸聲材料。這是由于3種材料內(nèi)部均具有敞開的、貫通的微孔，當聲波入射到材料時，使微孔中的空氣產(chǎn)生振動，振動產(chǎn)生的熱能在微孔以及與孔壁接觸的傳導中造成損失，從而使聲能衰減。

對比圖2中3條曲線可發(fā)現(xiàn)，純毛材料的吸聲性能略好于毛/滌綸材料與毛/麻材料，這可從3種材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行解釋。圖3示出3種羊毛非織造材料的電鏡照片。圖3(a)為純毛材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由于所有纖維均為羊毛纖維，纖維表面有鱗片層，因而較為粗糙，而且纖維與纖維之間穿插糾纏較為緊密，微孔增多，使得聲波在通過純毛材料時與纖維之間的摩擦增多，在微孔中傳遞產(chǎn)生的熱量損失也增多，因而吸聲性能略高。從毛/滌綸材料的電鏡照片(見圖3(b))可看出：由于滌綸表面比較光滑，聲波通過時阻力較?。磺移渑c羊毛纖維的抱合較為松散，微孔較大，使得當相同頻率的聲波穿過時，聲能衰減程度比純毛材料略低，因而吸聲性能不及純毛材料。從毛/麻材料的結(jié)構(gòu)圖(見圖3(c))中可看出，雖然黃麻表面粗糙，但纖維較粗硬，與羊毛、滌綸纖維交錯纏繞較為困難，孔隙較大，使得吸聲性能略差于純毛材料。

總的來說，由于純毛材料由細羊毛縮絨加工而成，纖維原料的成本較高，因此在吸聲性能相差并不大的情況下，毛/滌綸材料與毛/麻材料均可成為純羊毛氈的替代材料，大大降低了生產(chǎn)成本；毛/麻材料中黃麻的加入使得材料更加環(huán)保，且易回收和自然降解，但3種材料整體的吸聲性能并不高，本文通過增加厚度和空腔的方式提高材料的吸聲性能。

2.2 厚度和空腔對吸聲性能的影響

為研究非織造材料吸聲性能與厚度和空腔的關(guān)系，在保證材料面密度(210 kg/m3)大致相同的情況下，分別測試純毛材料、毛/滌綸材料、毛/麻材料在厚度為6、12 mm(2塊樣品疊加)以及厚度為6 mm外加6 mm空腔時，在250～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同厚度和空腔的非織造材料的吸聲性能Fig.4 Sound absorption properties of nonwoven materials with different thicknesses and cavity depths. (a)Wool material; (b)Wool/polyester material; (c)Wool/jute material

從圖4可看出，通過增加材料厚度或設(shè)置空腔的方式均可提高3種羊毛非織造材料的吸聲性能，中低頻段吸聲系數(shù)增加得尤為突出。從圖4(a)可看出：當厚度增加為原樣品的2倍時，中低頻率范圍內(nèi)，新樣品的吸聲系數(shù)明顯增大，平均吸聲系數(shù)從0.28提高至0.45；當在原樣品與后蓋板之間設(shè)置6 mm空腔時，新樣品的吸聲系數(shù)曲線位于原樣品吸聲系數(shù)曲線的上方，中低頻段的增幅較大，平均吸聲系數(shù)從0.28提高至0.39。毛/滌綸材料吸聲系數(shù)(圖4(b))和毛/麻材料吸聲系數(shù)(圖4(c))顯示出類似的吸聲系數(shù)曲線增長趨勢，增加樣品厚度，設(shè)置空腔，毛/滌綸材料的平均吸聲系數(shù)從0.26分別提高到0.46、0.32，毛/麻材料的平均吸聲系數(shù)從0.26分別提高到0.40、0.40。從平均吸聲系數(shù)可看出，增加材料厚度或設(shè)置空腔可提高材料的吸聲性能，且增加材料厚度對材料吸聲系數(shù)的提高影響更為顯著。這是由于材料厚度的增加使得聲波在經(jīng)過材料的微孔時，微孔通道加長，受到通道摩擦阻擋的次數(shù)增多，產(chǎn)生的聲能損耗增多，使得吸聲系數(shù)增大；而空腔的設(shè)置會使得聲波在透射過材料后，在材料背面與蓋板(實際情況下是墻面)之間反復的發(fā)生反射，也會造成聲能的損耗，使得材料的吸聲性能提高，但這種反射造成的聲能損耗不及聲波在穿過微孔時產(chǎn)生的損耗高，因此厚度比空腔更能顯著地提高材料的吸聲性能。

對于多孔吸聲材料來說，其低頻吸聲性能較差，高頻吸聲性能較好。根據(jù)實驗結(jié)果，可通過增加材料厚度或設(shè)置空腔的方式較為顯著地提高材料的低頻吸聲性能。毛/滌綸材料與毛/麻材料在增加厚度或設(shè)置空腔后，最大吸聲系數(shù)均可達到0.9以上，吸聲性能優(yōu)異。本著節(jié)約材料、便于施工的理念，通過設(shè)置空腔的方式比增加材料厚度更經(jīng)濟、合理，可達到較為理想的吸聲效果。

3 結(jié) 論

1)在250～6 300 Hz的頻率范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)曲線逐漸上升，純毛材料、毛/滌綸材料、毛/麻材料的平均吸聲系數(shù)均在0.2及以上，說明羊毛及其混合纖維非織造材料具有較好的吸聲性能。

2)純毛材料的吸聲性能略好于毛/滌綸材料與毛/麻材料，但出于降低生產(chǎn)成本和環(huán)保易回收的角度考慮，毛/滌綸材料和毛/麻材料可作為純羊毛氈的替代材料。

3)增加材料厚度或設(shè)置空腔均可提高材料全頻段(尤其中低頻段)的吸聲性能，設(shè)置空腔的方式與增加材料厚度相比，更加經(jīng)濟、合理。

4)綜合比較可得出，以6 mm的毛/麻材料為吸聲材料，并設(shè)置6 mm的空腔，材料具有環(huán)保低廉、便于施工的特點，且具有較為優(yōu)異的低頻吸聲性能。

FZXB

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Sound absorption properties of nonwoven material based onwool and its hybrid fibers

LUAN Qiaoli1， QIU Hua1， CHENG Gang2， LIU Xiaoyan1

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China；2.JiangsuKPSWoolTimberingScienceTechnologyCo.,Ltd.,Wuxi,Jiangsu214208,China)

In order to optimize the sound absorption properties of wool nonwoven materials, wool and its hybrid fiber nonwoven materials were prepared from wool, wool/polyester and wool/jute. Using the standing wave tube, the sound absorption properties of wool nonwoven materials in a frequency range of 250-6 300 Hz were studied by changing the fiber species, thickness and cavity depth. Results indicate that the average sound absorption coefficient of three samples is no less than 0.2, and sound absorption properties of wool materials are slightly better than those of wool/polyester materials and wool/jute materials. Sound absorption performance of all frequencies (especially low frequencies) also can be improved by increasing the thickness of the material or setting the cavity, in which thickness supplies more influence on sound absorption coefficients. Taking environmental protection, inexpensive materials and convenient construction into consideration, the 6 mm wool/jute material with a cavity of 6 mm can achieve more excellent sound absorption performance at low frequencies.

wool； wool/jute； wool/polyester； nonwoven material； thickness； cavity； average sound absorption coefficient

2016-03-07

2016-08-29

江蘇省2015年度普通高校研究生實踐創(chuàng)新計劃項目(SJZZ15_0148)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目(蘇政辦[2014]37號)

欒巧麗(1991—)，女，碩士生。主要研究方向為非織造吸聲材料。邱華，通信作者，E-mail:qiuhua@jiangnan.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160301605

TS 176.5； TB 535

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