麻/棉非織造復合材料的制備及其吸聲性能研究

瞿菁霞++丁心華

摘要：

本研究以苧麻纖維和棉纖維為原料，采用針刺非織造加工工藝，制備麻/棉非織造吸聲材料，研究測試不同麻棉配比、不同針刺工藝參數(shù)對材料吸聲性能的影響。結(jié)果表明：在所制備的麻/棉非織造復合材料中，麻纖維含量為30%，針刺密度為150刺/cm2以及較大針刺深度的較厚材料時，材料對中高頻的聲波吸聲性能好。

關(guān)鍵詞：麻/棉復合材料；非織造材料；針刺；吸聲性能

1 引言

隨著社會工業(yè)化、現(xiàn)代化程度的不斷提高，噪聲污染越來越嚴重，已經(jīng)與水污染、大氣污染一起，被稱為全球三大污染[1，2]。噪聲不僅會影響人們的正常休息、學習和工作，影響人們的身體健康，還會加速各種材料的老化，縮短材料的使用壽命[3-5]。因此，開發(fā)吸聲降噪的吸聲材料來控制噪聲污染，是當前各行各業(yè)都需要關(guān)注的問題。吸聲材料一般為內(nèi)部具有多孔結(jié)構(gòu)、對入射的聲波具有吸收作用的材料（如纖維氈、泡沫材料等），或通過共振對入射的聲波具有吸收或者反射作用的材料（如薄膜、隔板等）。纖維類吸聲材料具有來源廣、孔隙度高、吸聲性能優(yōu)良、易加工成型、價格便宜等優(yōu)點，使其在吸聲材料中廣泛應用[6，7]。棉、麻等天然纖維由于可再生、可天然降解、綠色環(huán)保以及具有天然的植物空腔、較高的強度、較低的價格等在吸聲材料中受到青睞[8-10]。非織造纖維材料作為一種柔性、多孔隙的吸聲材料，吸聲系數(shù)范圍寬，同時具有質(zhì)量輕、可循環(huán)使用、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點，對高頻率聲波吸收效果好，現(xiàn)已被廣泛用作吸聲材料[11-15]。非織造吸聲材料的吸聲性能不僅與纖維材料本身的結(jié)構(gòu)、性能有關(guān)，還與其加工工藝關(guān)系密切。

本文以麻纖維和棉纖維為原料制備針刺非織造材料。通過改變纖維配比、針刺密度、針刺深度以及材料厚度等因素，研究針刺工藝及不同材料混合比對麻/棉非織造復合材料吸聲性能的影響。

2 試驗部分

試驗材料：麻纖維（市售苧麻），平均線密度6.83dtex，斷裂強度6.95cN/dtex，斷裂伸長率4.67%；棉纖維（市售細絨棉），平均線密度1.74dtex，斷裂強度2.98cN/dtex，斷裂伸長率6%。

試驗設備及儀器如表1所示。

制備工藝流程如圖1 所示。

3 吸聲性能測試

本試驗選用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SW463型吸、隔聲測試儀測試吸聲性能，駐波管內(nèi)徑為100mm，其測量頻率為250Hz～6300Hz。其中，500Hz以下是低頻聲，500Hz～2000Hz是中頻聲，2000Hz以上是高頻聲。選用傳遞函數(shù)法的阻抗管法測試材料的吸聲系數(shù)，測試過程參照標準GB/T 18696.2—2002《阻抗管吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量》[16]。當聲波入射到材料表面時，一部分被材料表面的纖維立刻反射，另一部分進入纖維間空隙逐漸被吸收。吸聲系數(shù)是聲波入射到材料表面時，其能量被吸收的百分數(shù)，即被吸收的聲能與入射的聲能之比[17]。

注：Er——反射聲能；Ei——入射聲能；Eα——吸聲聲能；Eτ——投射聲能。

傳遞函數(shù)法的基本原理是，通過測量樣品前兩個傳聲器之間的傳遞函數(shù)H12可以得到聲波的法向反射系數(shù)r。傳遞函數(shù)H12為復數(shù)，定義式為：

（1）

其中：k0——波數(shù)，k0=2πf/c0；p1，p2——分別是兩個傳聲器處的復數(shù)聲壓；x1，x2——分別為兩個傳聲器距離參考面（x=0）的距離；

f—— 聲頻；c0—— 聲速；j—— 虛數(shù)單位。

入射聲波的傳遞函數(shù)HI和反射聲波的傳遞函數(shù)HR，可以通過下式計算：

（2）

（3）

結(jié)合公式（1）～（3），可以得到法向反射系數(shù)r：

（4）

通過r可以得到吸聲系數(shù)α的表達式：

α=1-|r|2=1-（rr2+ri2） （5）

式中：rr，ri分別表示r的實部和虛部。

4 結(jié)果與討論

4.1 纖維配比對材料吸聲性能的影響

將麻纖維質(zhì)量百分比按10%、30%、50%、70%、90%五個不同配比與棉纖維進行混合，控制厚度2mm、針刺密度150刺/cm2、針刺深度4mm，制備麻/棉非織造吸聲材料。吸聲材料的吸聲性能測試結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，麻/棉復合材料在中頻段麻纖維含量增加吸聲系數(shù)降低，材料的吸聲性能減弱；在高頻段具有較好的吸聲效果；麻纖維質(zhì)量分數(shù)為30%時，復合材料在高頻段吸聲性能最好。非織造材料的吸聲機理是聲波深入三維雜亂纖維孔隙中，引起空氣和細小纖維發(fā)生機械振動，并通過與空氣分子發(fā)生摩擦、黏滯阻力及熱交換等作用，聲能被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，達到吸聲的目的[18]。由于棉纖維較苧麻纖維細而柔軟，對高頻聲波具有很好的吸聲效果，而麻纖維模量大，纖維較剛硬，對低頻聲波有良好的反射，但由于麻纖維剛硬不易變形糾纏，針刺后結(jié)構(gòu)蓬松，空隙較大，而過大的空隙會影響材料的吸聲。從而使麻/棉復合材料在高頻段吸聲效果好，而在中頻段吸聲效果差。

4.2 針刺密度對材料吸聲性能的影響

采用針刺加固工藝，控制麻纖維質(zhì)量比30%、厚度2mm、針刺深度4mm，改變針刺密度（120刺/cm2、150刺/cm2、180刺/cm2），制備麻/棉非織造吸聲材料。吸聲性能測試結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，當針刺密度為150刺/cm?時，材料的吸聲性能好，針刺密度過大或者過小都不利于材料的吸聲。這是因為當針刺密度太小時，材料中纖維纏結(jié)不夠緊密，整個材料結(jié)構(gòu)比較蓬松，聲波容易穿透材料，沒有與材料充分接觸摩擦；而當針刺密度過大時，纖維之間會產(chǎn)生較大幅度的位移甚至會導致部分纖維發(fā)生拉伸斷裂，所以使得材料中孔徑增大，空洞數(shù)目增多，而且會使得同平方米克重下的針刺氈變得緊密而薄[19]，這些情況的存在都不利于提高材料的吸聲性能。另一方面，從力學性能來考慮，針刺密度太小，纖維之間沒有充分緊密纏結(jié)，材料受力作用后，纖網(wǎng)中纖維容易產(chǎn)生相對滑移從而導致其力學性能不佳；當針刺密度過大，纖網(wǎng)中部分纖維會發(fā)生不同程度的斷裂，因此也會使得材料的力學性能下降，因而會影響材料在使用過程的壽命。endprint

4.3 針刺深度與材料吸聲性能的關(guān)系

采用針刺加固工藝，麻纖維質(zhì)量比30%、厚度2mm、針刺密度150刺/cm2，改變針刺深度（3mm、4mm、5mm），制備麻/棉非織造吸聲材料。吸聲性能測試結(jié)果如圖6、圖7所示。

通常，工程上認為吸聲系數(shù)大于0.20的材料為吸聲材料，大于0.56的材料為高效吸聲材料[20]。當噪聲頻率在中頻段1000Hz～1600Hz的范圍時，針刺深度為5mm的材料表現(xiàn)出優(yōu)良的吸聲性能，吸聲系數(shù)達到0.2以上。當噪聲頻率在高頻段3000Hz～6300Hz，針刺深度為5mm時，材料的吸聲系數(shù)達0.56以上，已經(jīng)達到高效吸聲材料的指標。圖7中，當聲波頻率5000Hz以上針刺深度5mm的材料吸聲性能略有下降，主要是由于纖維糾纏緊密，材料的孔徑變小、孔隙率降低，從而導致吸聲性能略有降低。

4.4 材料厚度與材料吸聲性能的關(guān)系

采用針刺加固工藝，麻纖維質(zhì)量比30%、針刺密度150刺/cm2、針刺深度5mm，改變材料厚度（2mm、4mm、6mm、8mm），制備麻/棉非織造吸聲材料，吸聲性能測試分析如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，不管在中頻段還是在高頻段，材料的吸聲性能都隨著材料厚度的增加而增大，而且吸聲系數(shù)幾乎隨著材料厚度的增加而成倍增大。在中頻段，材料的吸聲系數(shù)隨著頻率增加幾乎成線性增加，因為吸聲材料越厚聲波在通過時能量消耗越大，轉(zhuǎn)換成內(nèi)能越多，吸收的聲能越大。在高頻段，吸聲系數(shù)先增加而后減小，頻率在5000Hz左右時，吸聲系數(shù)達到最大峰值，達到0.96左右，吸聲性能達到最優(yōu)。由上圖還可以看出，在工藝參數(shù)分別為麻纖維質(zhì)量比30%、針刺密度150刺/cm2、針刺深度5mm、材料厚度8mm時，麻/棉非織造吸聲材料的吸聲系數(shù)在中頻波段（500Hz～2000Hz）都達到0.2以上，在高頻波段（2000Hz以上）都達到0.5以上，已經(jīng)達到吸聲材料的要求。

5 結(jié)論

通過改變麻棉纖維配比、針刺密度、針刺深度和材料厚度等工藝參數(shù)，制備不同非織造吸聲材料，通過吸聲性能的測試分析，得出如下結(jié)論：

（1）當麻纖維的質(zhì)量比為30%時，吸聲材料對高頻段噪聲具有很好的吸聲效果，但在中頻段麻纖維的含量對材料吸聲性能的影響不大。

（2）材料吸聲性能隨著針刺密度先增加后減小，當針刺密度為150刺/cm?時，材料在中頻段和高頻段下吸聲性能好。

（3）在工藝參數(shù)分別為麻纖維質(zhì)量比30%、針刺密度150刺/cm2、針刺深度5mm、材料厚度8mm時，噪聲頻率在500Hz～6300Hz的范圍，都表現(xiàn)出良好的吸聲性能。

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（作者單位：南通纖維檢驗所）endprint