再生聚酯纖維吸聲板材的結(jié)構(gòu)與性能

1. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品工程教育中心，上海 201620；2. 江蘇佰家麗新材料科技有限公司，江蘇 蘇州 215000

纖維類多孔材料用于吸聲歷史悠久。當(dāng)聲波入射至多孔材料時(shí)，聲波會(huì)引起多孔材料內(nèi)部間隙中空氣的振動(dòng)與摩擦，部分聲能被轉(zhuǎn)化為熱能耗散，聲能衰減，多孔材料顯示出吸聲效果。與剛性吸聲體相比，纖維類多孔吸聲材料質(zhì)地輕薄、制備簡單、可加工性好，而非織造材料又具有多孔、柔軟、彈性大等性能特點(diǎn)，且加工成型方式多樣、工藝流程短、生產(chǎn)效率高，用其制作的纖維類多孔吸聲材料現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于汽車、建筑等領(lǐng)域[1]。

隨著環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)，各類產(chǎn)品生產(chǎn)要求盡量采用物料和能源消耗少、廢棄物少、對(duì)環(huán)境污染小的工藝方案。此外，人們還對(duì)生活領(lǐng)域用室內(nèi)裝飾等吸聲材料提出了防水、防污、阻燃、隔熱等功能性要求。目前，很多學(xué)者[2-7]利用不同的纖維原料及非織造工藝研究了環(huán)保型與功能型吸聲材料，但它們多以天然纖維與化學(xué)纖維的混合料或多種化學(xué)纖維的混合料為原料。但天然纖維降解需要一定的時(shí)間，不同種類的化學(xué)纖維的分離也比較困難，因此這些纖維制成的吸聲材料較難實(shí)現(xiàn)循環(huán)再生。

本文利用再生聚酯纖維與雙組分低熔點(diǎn)聚酯纖維為原料，參照當(dāng)前聚酯纖維吸聲材料的非織造生產(chǎn)工藝[8]，制備再生聚酯纖維吸聲板材，探究其結(jié)構(gòu)、吸聲等性能特點(diǎn)，再對(duì)其進(jìn)行防污整理，以實(shí)現(xiàn)廢棄材料的綠色循環(huán)再利用。

1 再生聚酯纖維吸聲板材的制備

1.1 纖維原料

本試驗(yàn)制備的再生聚酯纖維吸聲板材全部采用聚酯纖維為原料，其中再生聚酯纖維與雙組分低熔點(diǎn)聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各占50%，纖維線密度皆為0.67 tex、長度皆為51.00 mm。

再生聚酯纖維由廢舊PET瓶制備，其制備主要涉及清潔與紡絲兩個(gè)過程[9]。清潔過程將廢舊PET瓶分揀、粉碎、清洗得到凈瓶片；紡絲過程將凈瓶片進(jìn)一步粉碎、造粒得到聚酯顆粒，然后加入色母粒紡絲，得到有色再生聚酯長絲，后經(jīng)切斷得到有色再生聚酯短纖維[10]。

雙組分低熔點(diǎn)聚酯纖維為皮芯結(jié)構(gòu)，其能在相對(duì)較低的溫度下，皮層熔融起黏結(jié)作用而芯層不熔融起骨架支撐作用。

圖1為兩種纖維原料的差示掃描量熱儀(DSC)測試結(jié)果。對(duì)于聚酯材料，當(dāng)溫度升高達(dá)到聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，聚酯分子鏈還不能移動(dòng)，但鏈段已開始運(yùn)動(dòng)；當(dāng)溫度繼續(xù)升高達(dá)到聚酯熔點(diǎn)時(shí)，聚酯分子鏈運(yùn)動(dòng)并表現(xiàn)出黏流性質(zhì)，此時(shí)熔融發(fā)生。從圖1可以發(fā)現(xiàn)：再生聚酯纖維的熔點(diǎn)均在250 ℃左右；雙組分低熔點(diǎn)聚酯纖維的皮層聚酯在138 ℃左右熔融，芯層聚酯在236 ℃左右熔融。

(a) 再生聚酯纖維

1.2 再生聚酯纖維吸聲板材的制備工藝

再生聚酯纖維吸聲板材的制備流程為纖維原料準(zhǔn)備→纖維混合→梳理成網(wǎng)→交叉鋪網(wǎng)→針刺加固→裁邊→熱風(fēng)加固→冷卻→分切，其中：

(1) 纖維原料準(zhǔn)備→纖維混合。先按表1所示的質(zhì)量配比稱取不同顏色的再生聚酯纖維，以及雙組分低熔點(diǎn)聚酯纖維，并分別投入不同的粗開松機(jī)，再經(jīng)同一輸送網(wǎng)簾混合后做進(jìn)一步的開松。纖維原料混合的均勻性決定著成品顏色的均勻性及固結(jié)形態(tài)的穩(wěn)定性。

(2) 梳理成網(wǎng)?；旌祥_松好的纖維通過梳理機(jī)加工，由錫林將纖維梳理成平行伸直的單纖維狀態(tài)，再由雙道夫輸送輥輸出，形成雙層薄纖網(wǎng)。梳理機(jī)輸出的纖網(wǎng)面密度在56 g/m2左右。

(3) 交叉鋪網(wǎng)→針刺加固。梳理機(jī)輸出的纖網(wǎng)由夾持式輸送網(wǎng)簾輸送到雙網(wǎng)夾持式交叉鋪網(wǎng)機(jī)上進(jìn)行平行式交叉鋪網(wǎng)，通過控制鋪網(wǎng)層數(shù)，形成交叉折疊的、不同厚度與寬度的多層纖網(wǎng)。斜置夾持式上網(wǎng)簾與輸網(wǎng)簾共同擠壓較厚的多層纖網(wǎng)，以降低纖網(wǎng)中的空氣含量，同時(shí)蓬松度與厚度也略有降低。這樣，纖網(wǎng)便可順利經(jīng)上下網(wǎng)簾進(jìn)入針刺機(jī)。經(jīng)針刺機(jī)針刺后，纖網(wǎng)的厚度顯著降低并保持在該狀態(tài)，有一定的硬挺度及較好的彈性回復(fù)性，但尺寸穩(wěn)定性較差，斷裂伸長較大，硬度與強(qiáng)度都難以達(dá)到板材的要求，因此需被送入烘箱熱風(fēng)烘燥，進(jìn)行二次加固。

(4) 熱風(fēng)加固。烘箱溫度設(shè)置為185 ℃，加熱時(shí)間設(shè)定為5 min。此外，本試驗(yàn)為提高熱風(fēng)加固效率，采用了4個(gè)烘箱分區(qū)烘燥。

表1 再生聚酯纖維吸聲板材的設(shè)計(jì)方案與工藝

2 再生聚酯纖維吸聲板材的結(jié)構(gòu)與性能

2.1 結(jié)構(gòu)

針刺過程中，刺針向下運(yùn)動(dòng)，表層纖維在刺針的作用下發(fā)生移動(dòng)，進(jìn)入纖網(wǎng)內(nèi)部，并與內(nèi)部疏散的纖維交纏；刺針退出時(shí)，刺針上的纖維束因與纖網(wǎng)內(nèi)部纖維緊密交纏而被鎖定，難以返回到纖網(wǎng)表層。因此，針刺氈表面纖維雜亂排布并有明顯的針刺痕跡(圖2)，其縱截面內(nèi)纖維垂直于板材平面分布，并有錐形針痕(圖3)。

圖2 針刺氈表面針刺痕跡

圖3 針刺氈縱截面錐形針痕

熱風(fēng)加固過程中，熱風(fēng)作為熱量的載體，穿透針刺氈并將熱量傳遞給纖維。此時(shí)針刺氈中，雙組分低熔點(diǎn)聚酯纖維的皮層發(fā)生熔融并流向鄰近纖維，在纖維之間起黏合劑的作用；雙組分低熔點(diǎn)聚酯纖維的芯層及再生聚酯纖維因溫度未達(dá)到熔融溫度，故作為骨架存在于材料中(圖4)。

成型后的再生聚酯纖維吸聲板材呈多孔結(jié)構(gòu)，厚度均勻，表層致密，表面光潔。測試并計(jì)算孔隙率與密度發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)制備的4種再生聚酯纖維吸聲板材的孔隙率為82.04%～84.81%，密度為209.60 ～ 247.84 kg/m3。又因厚度較大的材料無法利用泡點(diǎn)法表征孔徑狀況，故此處選擇最薄的再生聚酯纖維吸聲板材(1#)采用泡點(diǎn)法測量其孔徑(圖5)，發(fā)現(xiàn)：平均孔徑為51.71 μm，最大孔徑為149.96 μm，最小孔徑為15.52 μm，孔徑分布主要集中在20.00～60.00與75.00～100.00 μm。綜上可見，試驗(yàn)制備的再生聚酯纖維吸聲板材是一種多孔輕質(zhì)材料。

(a) 纖維交叉排列處

(b) 纖維平行排列處

圖5 泡點(diǎn)法表征1#板材的孔徑分布

2.2 吸聲性能

利用吸聲系數(shù)表征再生聚酯纖維吸聲板材的吸聲性能。吸聲系數(shù)定義為材料吸收的聲能與入射到材料上的總聲能之比，其值在0.00～1.00。吸聲系數(shù)越大則材料的吸聲性能越好[11]。工程上，一般將在特定頻率(125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz)下平均吸聲系數(shù)大于等于0.20的材料稱為吸聲材料，平均吸聲系數(shù)大于0.56的材料稱為高效吸聲材料[12]。本試驗(yàn)選取制備的4種再生聚酯纖維吸聲板材，利用傳遞函數(shù)法[13]，測試它們?cè)谔囟l率下的吸聲系數(shù)并計(jì)算平均吸聲系數(shù)，再與厚度相近的常見吸聲材料——麻纖維板和工業(yè)毛氈對(duì)比，測試結(jié)果見表2[14]和圖6。結(jié)果顯示：4種再生聚酯纖維吸聲板材的平均吸聲系數(shù)在0.30～0.43；密度相近的再生聚酯纖維吸聲板材(1#和2#，3#和4#)，其平均吸聲系數(shù)隨材料厚度的增加而增大；與厚度相近的麻纖維板、工業(yè)毛氈相比，4#的密度更小，質(zhì)量更輕，其平均吸聲系數(shù)大于麻纖維板，與工業(yè)毛氈相近。

表2 4種再生聚酯纖維吸聲板材與常見吸聲材料的吸聲系數(shù)

圖6 特定頻率下4種再生聚酯纖維吸聲 板材的平均吸聲系數(shù)

從圖6還可以看出，試驗(yàn)制備的4種再生聚酯纖維吸聲板材：在125～500 Hz時(shí)，吸聲系數(shù)隨頻率的增加而波動(dòng)很大，這可能與低頻條件下測試吸聲系數(shù)需更換駐波管的操作有關(guān)；在500～4 000 Hz時(shí)，吸聲系數(shù)隨頻率的增加而顯著增加，原因可能是在該頻段內(nèi)，聲波頻率增加，空氣振動(dòng)速度加快，空氣與材料摩擦，聲能轉(zhuǎn)化成熱能的效率增大，聲波衰減量增加，故材料的吸聲系數(shù)升高；大于4 000 Hz時(shí)，吸聲系數(shù)較高并趨于穩(wěn)定，原因可能是4 000 Hz附近時(shí)，聲能轉(zhuǎn)化成熱能的效率達(dá)到最大，或出現(xiàn)了共振峰，之后頻率繼續(xù)增加，熱轉(zhuǎn)化效率難以提高，或共振現(xiàn)象消失，因此材料的吸聲系數(shù)趨于穩(wěn)定。

2.3 防污性能

吸聲板材在使用過程中，如遇到傾灑的飲品、蚊蟲尸體、筆墨等，都易造成沾污，影響美觀，長期不清理還會(huì)滋生細(xì)菌，對(duì)健康造成隱患，因此對(duì)吸聲板材進(jìn)行防污整理有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。防污性能一般涉及耐沾污性與易去污性兩方面。耐沾污性是指減少污漬的沾附；易去污性是指已沾附的污漬可以輕松去除[15]。對(duì)制備的再生聚酯纖維吸聲板材滴加有色液體后發(fā)現(xiàn)，液體會(huì)迅速鋪展并留下污漬，因此本試驗(yàn)使用浙江傳化公司生產(chǎn)的以含氟聚丙烯酸酯為主要成分的C6環(huán)保型氟系低溫整理劑TG-5502(表3)，對(duì)再生聚酯纖維吸聲板材進(jìn)行表面處理，并對(duì)比處理前后的防污性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：利用TG-5502對(duì)再生聚酯纖維吸聲板材進(jìn)行整理后，材料表面獲得疏水性并難以潤濕，其對(duì)液體污垢的吸附減少。

表3 TG-5502性能參數(shù)

防污整理后，再生聚酯纖維吸聲板材表面因氟原子的存在而表面能變大，其防污性能如圖7所示：

(a) 防污整理前

(b) 防污整理后

(1) 接觸角由整理前的98.2°提升到137.0°；水滴從整理前的鋪展在材料表面且有近乎一半滲入材料內(nèi)部的狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)檎砗蟮某仕闋盍⒂诓牧媳砻媲逸^少滲入材料內(nèi)部的狀態(tài)。

(2) 利用注射器將2 mL的水滴滴于材料表面，接著固定材料的一端，另一端勻速抬起形成傾斜角，并在水滴開始下移時(shí)停止抬起，此時(shí)利用量角器測量傾斜角度發(fā)現(xiàn)，水滴在材料表面發(fā)生移動(dòng)的傾斜角從處理前的55.4°降低到處理后的19.0°，且水滴的移動(dòng)方式由滑動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)。這都意味著，液體污漬即便已與防污整理的再生聚酯纖維吸聲板材表面接觸，也難在其表面形成黏附。

(3) 以絕對(duì)黏度約為0.3 Pa·s 的醬油為例，將其滴于防污整理前后的再生聚酯纖維吸聲板材表面，12 h后發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)防污整理的再生聚酯纖維吸聲板材表面的醬油已被吸收，留下了難以去除的醬油污漬；將厚紙巾平覆在防污整理的再生聚酯纖維吸聲板材的表面沾污處且不施加其他壓力，10 s后厚紙巾便吸收了殘留的醬油污漬且材料表面未留下任何醬油污漬。可見防污整理后的再生聚酯纖維吸聲板材耐沾污、易去污。

3 再生聚酯纖維吸聲板材的用途

再生聚酯纖維吸聲板材是理想的吸聲裝飾材料，完全由聚酯纖維構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的循環(huán)再生。纖維生產(chǎn)過程可實(shí)現(xiàn)材料顏色的控制，板材加工過程可實(shí)現(xiàn)表面花紋的調(diào)控，可賦予成品不同的風(fēng)格，滿足不同層次的美學(xué)需求。與其他纖維相比，聚酯纖維具有穩(wěn)定性好、隔熱、保溫、防潮、防霉變等特點(diǎn)，易改性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料功能的調(diào)控性，可通過后整理賦予再生聚酯纖維吸聲板材更多的功能。因此，再生聚酯纖維吸聲板材應(yīng)用廣泛，如KTV、辦公室、酒店、影院、體育館、會(huì)議室、家庭等，多將其用作墻面裝飾、吊頂?shù)?圖8)。

圖8 再生聚酯纖維吸聲板材的應(yīng)用

4 結(jié)論與展望

再生聚酯纖維吸聲板材完全由聚酯纖維構(gòu)成，不含膠黏劑等化學(xué)黏合劑成分，對(duì)人體健康與環(huán)境都沒有負(fù)面影響，可實(shí)現(xiàn)回收利用，是理想的環(huán)保吸聲材料。本文從原料、制備這兩個(gè)方面介紹了再生聚酯纖維吸聲板材的成型與制備過程，并對(duì)其結(jié)構(gòu)與吸聲性能進(jìn)行測試與評(píng)定，還以防污整理為代表對(duì)其整理后的效果進(jìn)行探究：

(1) 再生聚酯纖維吸聲板材是一種多孔輕質(zhì)材料，孔隙率為82.04%～84.81%，密度為209.60 ～ 247.84 kg/m3，孔徑分布主要集中在20.00～60.00與75.00～100.00 μm。

(2) 再生聚酯纖維吸聲板材的平均吸聲系數(shù)為0.30～0.43，其在4 000 Hz及以上的高頻段具有較好且穩(wěn)定的吸聲性能。

(3) 含氟整理劑可賦予再生聚酯纖維吸聲板材優(yōu)良的防污性能，防污整理后的材料接觸角可增大到137.0°，水滴移動(dòng)的傾斜角可下降到19.0°，材料耐沾污、易去污。

當(dāng)前，我國聚酯行業(yè)發(fā)展迅速，再生聚酯纖維與原生聚酯纖維在品質(zhì)上幾乎無異，且聚酯纖維在改性方面的相關(guān)研究也逐步成熟[16]。通過色母粒的添加可實(shí)現(xiàn)再生聚酯纖維顏色的調(diào)控；通過控制不同顏色纖維的配比可賦予材料不同的風(fēng)格，滿足不同層次的美學(xué)需求；通過加入阻燃母?？蓪?shí)現(xiàn)材料的防火、阻燃性能。相信隨著聚酯行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，原生聚酯纖維的研究成果都可用于再生聚酯纖維。再生聚酯纖維吸聲板材將具有更大的發(fā)展空間。