廢舊羊毛非織造布的制備及其吸聲性能

欒巧麗， 邱 華， 成 鋼， 葛明橋

(1. 生態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)

廢舊羊毛非織造布的制備及其吸聲性能

欒巧麗1， 邱 華1， 成 鋼2， 葛明橋1

(1. 生態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)

為研究廢舊羊毛材料的吸聲性能，利用非織造布的生產工藝，以廢舊羊毛為主要原料，制備一種新型羊毛非織造布。通過使用傳遞函數法和駐波管法，對羊毛非織造布的吸聲性能進行了測試，分析了在聲波頻率為250～6 300 Hz范圍內材料厚度、密度和空腔深度對其吸聲性能的影響。結果表明，羊毛非織造布吸聲性能優異，對高頻的吸聲性能優于對低頻；在中低聲波頻率，隨材料厚度、密度和空腔深度的增加，其吸聲性能越好。材料厚度和空腔深度是影響羊毛非織造材料吸聲性能的主要因素；通過增加空腔深度提升材料的吸聲性能，是較為經濟合理的辦法。

羊毛非織造布； 吸聲性能； 厚度； 密度； 空腔深度

噪聲污染與大氣污染、水污染和固體廢舊物污染已成為當今社會4大環境污染之一。噪聲嚴重干擾了大眾的正常學習、生活和工作。利用多孔吸聲材料對噪聲進行吸收，是在建筑領域降低室內噪聲所采取的主要措施。多孔吸聲材料的品種眾多，吸聲原理基本相同。主要通過聲波在材料中的傳播從而引起黏性流動損失，材料分子間的相對運動引起內摩擦，將聲能轉化為熱能散失，從而達到吸聲效果[1]。

玻璃棉、礦渣棉、巖棉、硅酸鋁棉等無機纖維狀多孔吸聲材料是最為常見的多孔吸聲材料。這類材料有良好的吸聲、絕熱、保溫性能，而且有防火、不燃燒、質輕、表觀密度小等特點。但是這類材料也存在易折斷，易飛揚，易產生固體廢舊物，不易降解等缺點，對人和環境會造成污染[2]。

羊毛非織造布以羊毛紡織工業的下腳料(粗羊毛)作為主要原料。這種不適宜用于紡紗的粗羊毛纖維，原料豐富、價格低廉。羊毛非織造布在生產過程不對環境造成污染；在使用過程中，羊毛非織造布不會釋放甲醛和其他有毒有害氣體，不會斷裂和粉化，與人體接觸不會引起皮膚瘙癢和過敏，具有很好的環保性和人體舒適性[3]，并且可以循環使用。

目前國內外對羊毛非織造布吸聲性能的研究較少，許多數學者對其他材料的吸聲性能進行了研究[4-6]。在廢舊纖維用于吸聲材料方面，Ersoy Sezgin等[7]對茶葉纖維廢料與機織布復合材料的吸聲性能進行了分析，Yu Xiang等[8]研究了孔徑、空腔深度和孔隙率對廢舊聚酯纖維多層結構材料吸聲性能的影響。羊毛非織造布在建筑降噪領域應用時間較短，近年來成鋼[9]和謝曉麗等[10]對其吸聲性能進行了分析研究。本文以廢舊羊毛纖維為原料制備了多孔吸聲材料，重點研究其制備工藝以及厚度、密度和空腔深度對其吸聲性能的影響，以期對該類材料的研發提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 試樣制備

1.1.1 原 料

粗羊毛由江蘇科博世羊毛建材科技有限公司提供，纖維長度為50～150 mm，直徑為50～200 μm。通過CU-6纖維細度分析儀對粗羊毛的纖維形態進行觀察，得到的圖像如圖1所示。

1.1.2 羊毛非織造布制備工藝

羊毛非織造布屬于非織造物，制備工藝與一般非織造布的工藝流程基本相同。先將雜質過濾掉，然后開松，使纖維包中已被壓緊的纖維塊通過一定的機械打擊和撕扯開解成小塊的纖維束，而后與黃麻纖維、低熔點聚酯纖維(熔點為120～130 ℃)、抗菌劑、防蟲蛀劑、阻燃劑進行混合。充分混合后，進一步對原料進行開松，然后梳理成網，將網體一層層鋪放，形成多層網體。為進一步加強羊毛非織造布的阻燃性，在鋪網過程中相鄰2層網體的接觸面上噴灑阻燃劑和乳液黏結劑，使網體之間形成阻燃黏結層。最后進行熱黏合加固(加固溫度為160 ℃)、壓平、縱切和橫切等工藝，制成羊毛非織造布。整個生產流程無高溫工藝，生產流程較短，能耗低。制得的羊毛吸聲材料如圖2所示。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗材料基本規格

制備的羊毛非織造布的基本規格見表1所示。

表1 羊毛非織造布的基本規格

1.2.2 測試系統

參照GB/T 18696. 2—2002《聲學 阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量 第二部分：傳遞函數法》的方法，以及由北京聲望聲電技術有限公司提供的雙傳聲器阻抗管測試系統，此次吸聲特性測試測量聲學范圍在250～6 300 Hz頻率范圍內的吸聲系數。

整個測試系統包括內置揚聲器的內徑分別為100 mm和30 mm的2個鋁合金阻抗管SW422和SW477，2個分別在60～1 800 Hz和1 600～6 300 Hz范圍內比較敏感的傳聲器MPA416，1個功率放大器PA50，1個頻率分析器MC3242，還有1個配備有軟件VA-Lab4的計算機。測試系統如圖3所示。

1.2.3 吸聲系數的測定

測試前，對2個傳聲器進行校驗。每次測試時，將實驗樣品放置于靠近后蓋板的一端并固定好，按標準布置方式安裝好2個傳聲器的位置，在軟件VA-Lab4上觸發實驗。2個傳聲器的信號趨于穩定時，停止測試，交換2個傳聲器的位置，再次觸發實驗。當測試進行完畢后，通道測試系統整合數據給出每個頻率的吸聲系數，將1/3倍頻程頻率的吸聲系數導出，即可進行下次實驗。

2 實驗結果與分析

2.1 厚度對吸聲性能的影響

為了研究羊毛非織造布吸聲性能與厚度的關系，選擇3、5(2塊3號材料疊加)、6(3塊3號材料疊加)、7(4塊3號材料疊加)號材料作為測試樣品。在材料密度(239.5 kg/m3)和空腔深度(0 mm)相同的情況下，以厚度6、12、18和24 mm為變量分別進行4組測試，得出不同頻率下的吸聲系數，如圖4所示。

從圖4中可以看出，當材料厚度僅為12mm及以上時，超過630 Hz頻率的吸聲系數都在0.2以上，這表明羊毛非織造布在中低頻率即具有優異的吸聲性能。再者，隨著頻率的增加，厚度為6 mm的羊毛非織造布在250～6 300 Hz的頻率范圍內，吸聲系數都不斷增加。這是由于，當材料厚度不太大時，入射聲波的頻率越高，纖維被激活的程度越大。纖維間的空氣振動加速了孔隙邊緣和空氣間的相互作用，形成了更大的黏性力。此后，聲能大量衰減并轉化成熱能，熱能在纖維孔隙間加快傳導。因此，材料在高頻區比低頻區具有更好的吸聲性能。而當厚度超過6 mm時，吸聲系數在中低頻表現優異，而在高頻區域則出現不同程度的波動。這由于：當材料較厚時，低頻聲波可以進入材料深層被吸收，符合上述原理，因此吸聲系數在低頻隨頻率增大而增大；而高頻聲波大部分已經在材料淺層被吸收，進入材料深層的較少，因此吸聲系數在高頻隨頻率的增加發生波動，不會繼續增大。

對4條曲線進行縱向對比可以發現，在低頻范圍內的特定頻率上，吸聲系數隨厚度的增加而不斷增大，這是由于低頻聲波進入到材料深層被吸收，在密度等其他條件一定的情況下，隨著厚度的增加，進入孔隙的聲波經過的孔隙通道也就越長，受到曲折通道的阻擋次數越多，聲波在孔隙產生的能量損失也就越多，吸聲系數也會相應地增大。而在高頻范圍內的特定頻率上，當材料厚度大于6 mm時，吸聲系數隨厚度增加的變化不大，這同樣是由于高頻聲波在材料淺層被吸收所致。

總的來說，采用增加厚度的方法，可以提高在低頻范圍內羊毛非織造布的吸聲系數，對高頻則影響甚微。當材料對低頻的吸聲系數達到要求時，再增加厚度對提高材料的吸聲系數意義不大；材料太厚，也不利于室內施工。

2.2 密度對吸聲性能的影響

為了研究羊毛非織造布吸聲性能與密度的關系，選擇1、2、3、4號材料作為測試樣品，在材料厚度(6 mm)和空腔深度(0 mm)相同的情況下，以199.5、217.6、239.5和257.5 kg/m3為變量分別進行4組測試，得出不同頻率下的吸聲系數，如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著密度的增加，在低頻區域內，羊毛非織造布的吸聲系數隨頻率增加發生波動或略有上升；在高頻范圍內，吸聲系數隨頻率的增加有比較明顯的上升趨勢。這是因為伴隨著較大的密度，使得材料內部沒有多少孔隙，低頻聲波進入其內部十分困難，很大一部分在表面被反射，這導致了材料對低頻聲波的吸聲性能較差。而隨著密度的增大，材料的透氣性變差，流阻變大，因而高頻聲波衰減的越多，被吸收的程度越大。這使得材料密度變大，對高頻聲波的吸收性能變好。

由此可見，通過增加密度來提高材料對低頻聲波的吸聲系數效果不明顯。

2.3 空腔深度對吸聲性能的影響

為了研究羊毛非織造布吸聲性能與空腔深度的關系，選擇3號材料作為測試樣品，在其他規格相同的情況下，以0 mm空腔、6 mm空腔、12 mm空腔和18 mm空腔為變量分別做4組測試，得出不同頻率下的吸聲系數，如圖6所示。

從圖6可以看出，在特定空腔深度下，羊毛非織造布對低頻的吸聲系數隨頻率的增加而增大，而后出現峰值，而對高頻的吸聲系數則出現不同程度的下降。出現峰值和高頻下降的原因在于：當材料背面(靠近后蓋板的一面)空腔深度等于1/4波長的奇數倍時，在其相應頻率下可獲得最大的吸聲系數。因為距離后蓋板1/4波長奇數倍是波峰處，聲壓為零，但空氣質點有最大的振動速度，材料所起的摩擦阻尼的損耗聲能也最大，使材料產生最大的吸聲效果，體現在圖中峰值處。離后蓋板1/2波長處即半波長的整數倍處，聲壓最大，此時質點的振動速度為零，從而相應頻率下材料的吸聲系數最小[11]，體現在圖中高頻吸聲性能降低。

對4條曲線進行縱向對比可發現，在某一特定的頻率，增加空腔深度可顯著提高羊毛非織造布對中低頻的吸聲性能，這是由于空腔的存在，即使是聲波透射過材料，當聲波觸碰到剛性后蓋板(現實情況下是墻面)時，在材料背面與蓋板之間發生反復反射，聲能也會發生損耗，即相當于增加了材料的有效厚度，改善了其對低頻的吸收性能。而在高頻時，由于空腔深度增加，更加靠近吸聲的谷值，使得材料的吸聲性能有所降低。

經過分析可知，通過增加空腔深度來提高羊毛非織造布對低頻的吸聲性能，比單靠增加材料的厚度更加經濟、合理。根據上述原理，通過調整材料背面與墻壁之間的空腔深度，可以達到設計所需要的吸聲性能。

3 結 論

作為一種新型的多孔吸聲材料，羊毛非織造布憑借其吸聲絕熱性好、裝飾效果佳、環保等優良的特點在眾多領域得到了廣泛的應用，受到人們的青睞，具有廣闊的市場前景。吸聲性能作為該材料最重要的特點，對其進行研究對于材料的設計與應用有一定的指導和參考意義。本文對羊毛非織造布的吸聲性能進行了較為初步的研究，得出以下結論：

1)羊毛非織造布吸聲性能較好，對高頻的吸聲性能好于低頻。材料厚度在6 mm時，吸聲系數隨頻率變大不斷增加；厚度到達12 mm之后，先是對低頻吸聲系數增加，當吸聲系數達到峰值后，頻率提高吸聲系數出現波動。隨著材料厚度的增加，材料對低頻的吸聲性能變好，對高頻的吸聲性能影響不大。

2)增加密度并不會顯著提高羊毛非織造布的吸聲性能，尤其對于低頻吸聲系數的提高無明顯效果。

3)增加空腔深度可有效增強羊毛非織造布對低頻聲波的吸聲效果，對高頻的吸聲效果則略有下降。通過增加空腔深度的方法提高材料的吸聲性能，是經濟合理的辦法。

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Preparation and sound absorption properties of waste wool nonwoven material

LUAN Qiaoli1， QIU Hua1， CHENG Gang2， GE Mingqiao1

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

In order to study the sound absorption properties of waste wool fiber, a kind of novel wool nonwoven material was prepared by a conventional non-woven technique with waste wool fibers as the main raw material. Using the transfer-function method and standing wave tube method, the sound absorption properties of wool nonwoven materials in a frequency range of 250-6 300 Hz were studied by changing the thickness, density, and cavity depth. Results indicated that wool nonwoven materials exhibit excellent sound absorption properties, which at high frequencies are better than those at low frequencies. At the sound waves of low frequencies, with the increase of thickness, density and cavity depth, sound absorption properties improve. The thickness and cavity depth are the main factors affecting the sound absorption properties of the material. Moreover, it is an economic and reasonable way to increase the sound absorption properties of the material by enhancing the cavity depth.

wool nonwoven material; sound absorption property; thickness; density; cavity depth

10.13475/j.fzxb.20150306005

2015-03-30

2016-03-25

教育部自主科研重點項目(JUSRP51301A)；江蘇省2015年度普通高校研究生實踐創新計劃項目(SJZZ15_0148)

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。

TS 176.5

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