廢棄纖維吸聲復合材料的制備及其吸聲性能

呂麗華,畢吉紅,于 翔

(大連工業大學 紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034)

廢棄纖維吸聲復合材料的制備及其吸聲性能

呂麗華,畢吉紅,于 翔

(大連工業大學 紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034)

針對廢棄紡織纖維利用率不高的問題，采用共混-熱壓工藝，以廢棄纖維為增強材料，以熱塑性聚氨酯為基體材料，制備廢棄纖維/聚氨酯復合材料。將廢棄纖維/聚氨酯復合材料加工成穿孔板，并與廢棄滌綸織物貼合，構成吸聲復合材料。重點研究了吸聲復合材料中穿孔直徑、穿孔板厚度、穿孔率及廢棄滌綸織物層數4種結構參數對材料吸聲性能的影響。結果表明：穿孔直徑主要影響吸聲材料的吸聲系數峰值；穿孔板厚度、穿孔率和廢棄滌綸織物的層數主要影響吸聲材料的吸聲頻帶范圍。

廢棄纖維；吸聲性能；復合材料；吸聲系數

截止“十二五”末，我國廢舊紡織品累計產生量將超過1億t，其中化纖類7 000萬t，天然纖維類3 000萬t[1-2]。這些廢棄紡織纖維不僅造成驚人浪費，對環境污染也越來越嚴重，而且還暗藏著火災隱患，因此如何回收利用這些廢物，制造高附加值產品，已迫在眉睫。部分科技工作者[3-7]一直從事廢棄纖維再生資源化利用技術研究，其中涉及廢棄混紡纖維分離技術、廢棄纖維作為增強材料制備復合材料的方法及工藝，廢棄纖維制備復合材料的力學性能、阻燃性能及吸聲性能等，并取得一系列成果。

另一方面，隨著工業化和現代化步伐的加快，噪音污染變得越來越嚴重，其危害人們的學習、工作以及身體健康等。其次，作為以聽聞為重要功能的聲學建筑和較大體積的室內，如錄音室、會議室等，其室內音質的好壞不僅取決于聲源條件，且取決于室內聲學材料的設計安裝[8]，因此，開發具有降噪功能的吸聲材料來有效地控制噪音污染,改善聽聞條件是亟待解決的課題。

從聲學角度看，廢棄紡織纖維及其產品屬于多孔纖維材料，具有很好的吸聲效果，所以運用廢棄纖維設計開發吸聲材料可有效利用廢棄纖維，是一種正確處理廢棄纖維的有效途徑。

使用穿孔板共振結構作為吸聲結構應用在吸聲材料上的想法是在1947年由Bolt[9]提出。從1975年起，馬大猷[10-12]發表了一系列文章，總結出聲波垂直入射和隨機入射2種方式下微穿孔板吸聲系數的計算方法。周晉花等[13]對帶有多孔性吸聲材料的復合穿孔板吸聲結構的聲學特性進行了研究計算。朱從云等[14]提出了多層吸聲材料吸聲系數的計算方法。盛勝我[15]對穿孔板背面緊貼吸聲薄層材料的聲學特性進行了理論計算，并與實驗結果進行對比分析。

穿孔板在低頻處吸聲效果較好，但吸聲頻帶較窄；多孔材料有較寬的吸聲頻帶，但低頻處吸聲效果不好。本文以廢棄滌綸纖維為增強材料，廢棄聚氨酯為基體材料，采用共混塑煉-熱壓法制備廢棄滌綸纖維增強熱塑性復合材料；將廢棄纖維/聚氨酯復合材料加工成穿孔板，將穿孔板與廢棄滌綸織物貼合，旨在開發設計一種吸聲系數高、吸聲頻帶寬的吸聲復合材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚氨酯：硬度65～72 D，東莞湘業塑料原料經營部；廢棄纖維:大連神州紡織廠；廢棄滌綸織物，面密度為145 g/m2,江蘇曠達汽車織物集團股份有限公司。

1.2 實驗儀器

SK-160B雙輥塑煉機，上海思南橡膠機械有限公司；QLB-50D/Q MN壓力成型機，江蘇無錫中凱橡塑機械有限公司；NHY-W萬能制樣機，承德市試驗機廠；SW477/SW422吸聲測試系統，北京聲望公司。

1.3 廢棄纖維吸聲材料設計

廢棄纖維/聚氨酯復合材料的制備：以廢棄滌綸纖維為增強材料，廢棄聚氨酯為基體材料，采用共混塑煉-熱壓法制備廢棄滌綸纖維增強熱塑性聚氨酯復合材料。

工藝參數為：廢棄纖維質量分數35%，聚氨酯質量分數65%，廢棄纖維長度15 mm，混煉時間8 min，混煉溫度170 ℃，熱壓壓力5 MPa，熱壓時間15 min，熱壓溫度175 ℃。

力學性能為：拉伸強度51.26 MPa，拉伸模量0.45 GPa；彎曲強度49.56 MPa，彎曲模量0.85 GPa；沖擊強度35.71 kJ/m2。

廢棄纖維吸聲材料設計與制備：廢棄纖維/聚氨酯復合材料本身并不具備吸聲材料的特征，將廢棄纖維/聚氨酯復合材料加工成穿孔板，將穿孔板與滌綸織物貼合，構成具有很好吸聲性能的復合結構吸聲材料。所制得的復合結構吸聲材料如圖1所示。

圖1 吸聲材料圖Fig.1 Diagram of sound absorbing material.(a) Perforate plate; (b) Polyester fabric; (c) Perforate plateand three polyester fabrics

2 結果與討論

吸聲性能的好壞可用吸聲系數α表示，吸聲系數的變化范圍為0～1，吸聲系數越大，吸聲性能越好。一般認為吸聲系數大于0.2時，可稱為吸聲材料。

2.1 穿孔直徑對吸聲系數的影響

保持復合材料的穿孔率為2.8%，板厚為2 mm，滌綸織物層數為2層，研究穿孔直徑對吸聲性能影響，結果如表1和圖2所示。

由表1和圖2可看出，單純考慮穿孔直徑對吸聲性能的影響時，在本文取值范圍 0～6 300 Hz內，穿孔直徑的改變會使吸聲系數峰值(即共振吸聲系數)出現在不同頻率上。隨著孔徑增大,吸聲系數峰值向高頻區域移動。但改變范圍不是很明顯，這使吸聲材料在高頻范圍內的吸聲性能得到一定的提高；隨著孔徑增大，吸聲材料的吸聲系數峰值也隨之增大，但吸聲頻帶寬度(吸聲系數為最大值一半時的頻率稱為半共振頻率，2個半共振頻率之間的頻域為頻帶寬度f2/f1，f1、f2分別為2個半共振頻率)變窄。在實際應用中，可通過適當增大穿孔直徑來增加吸聲材料的吸聲性能。在使用過程中，由于灰塵等會使孔徑變小，會有損材料的吸聲性能，所以穿孔板的穿孔直徑不宜過小。

表1 穿孔直徑對吸聲性能的影響Tab.1 Effect of perforation diameter on sound absorption performance

圖2 穿孔直徑對吸聲系數影響曲線Fig.2 Influence curve of perforation diameter on sound absorption coefficient

2.2 板厚度對吸聲系數的影響

當復合材料的穿孔率為1.6%，穿孔直徑為1.5 mm，滌綸織物層數為3層時，穿孔板板厚對單層復合結構吸聲材料吸聲性能的影響如表2和圖3所示。

表2 穿孔板厚度對吸聲性能的影響Tab.2 Effect of perforated plate thickness on sound absorption performance

圖3 穿孔板板厚對吸聲系數影響曲線Fig.3 Influence curve of perforated plate thickness on sound absorption coefficient

由表2和圖3可看出,改變穿孔板厚度即改變孔的深度，主要影響吸聲材料在低頻范圍內的吸聲性能。單純從穿孔板厚度對微穿孔板吸聲性能的影響考慮，在本文取值范圍內隨著穿孔板厚度的增加，吸聲系數的峰值向低頻方向移動，且在每條吸聲系數曲線上，吸聲系數峰值越大，圖形越尖，帶寬越窄。

穿孔板厚度的變化對材料吸聲性能的影響，必然存在一個極限值，即使吸聲系數出現最大值，因此，穿孔板厚度并非越小越好，其余參數確定后，板厚可找到一個最優值，這樣既可通過減少穿孔板厚度來增大吸聲系數，又可利用這一點減少穿孔板厚度，降低成本。

2.3 穿孔率對吸聲性能的影響

當復合材料的板厚為2 mm，穿孔直徑為1.5 mm，滌綸織物層數為3層這3個結構參數不變時，穿孔率對單層復合結構吸聲材料吸聲性能的影響如表3和圖4所示。

表3 穿孔率對吸聲性能的影響Tab.3 Effect of perforation rate on sound absorption performance

圖4 穿孔率對吸聲系數的影響Fig.4 Influence curve of perforation rate on sound absorption coefficient

單純考慮穿孔率對吸聲材料吸聲性能的影響，在本研究的取值范圍內，隨著穿孔率的增大，吸聲系數峰值的位置和吸聲頻帶均向高頻方向移動；共振吸聲系數峰值變小，吸聲頻帶寬度明顯增加。在實際應用中，可通過增大穿孔率來增加吸聲材料的吸聲性能，但穿孔率的變化對材料吸聲性能的影響也必然存在一個極限值；因此，選擇穿孔率時并非越大越好，其余參數確定后，穿孔率可找到一個最優值。穿孔率太小，雖然在低頻范圍內的共振吸收峰值很高，但在高頻區域內吸聲效果很差；若穿孔率太大，雖然可拓寬吸聲頻帶，但材料整體的吸聲效果太差，不利于實際中應用，因此，在滿足使用要求的前提下，可適當增加穿孔率，降低吸聲系數峰值，增加吸聲頻帶寬度。

2.4 織物層數對吸聲性能影響

在復合材料的板厚為2 mm，穿孔直徑為1 mm，穿孔率為2.8%時，織物層數對單層復合結構吸聲材料吸聲性能的影響如表4和圖5所示。

表4 滌綸織物層數對吸聲性能的影響Tab.4 Effect of polyester fabric layers on sound absorption performance

圖5 滌綸織物層數對吸聲系數的影響Fig.5 Influence curve of polyester fabric layers on sound absorption coefficient

單純考慮廢棄滌綸織物層數對吸聲材料吸聲性能的影響可看到：隨著廢棄滌綸織物層數的增加，吸聲材料的吸聲系數峰值隨之增大，材料在低頻范圍內的吸聲效果也有所改善，但相應的頻帶寬度改變不明顯；共振吸聲峰的位置及吸聲頻帶均向低頻方向移動。廢棄滌綸織物作為多孔材料，其吸聲功能依靠在材料中將聲能逐漸消耗掉而實現，因此廢棄滌綸織物層數對吸聲材料吸聲性能的影響有很重要的作用。在一定范圍內，增加廢棄滌綸織物層數，可提高其低頻吸收性能，使其對低頻和高頻聲波都有較好的吸聲效果，這對改變材料的吸聲性能有著特殊的意義。

從以上對4個參數分析可得出：穿孔直徑主要影響吸聲材料的吸聲系數峰值；穿孔板厚度、穿孔率和廢棄滌綸織物的層數主要影響吸聲的頻帶范圍。

3 結 論

本文將廢棄纖維/聚氨酯復合材料加工成穿孔板，并與廢棄滌綸織物貼合制得吸聲材料，得出以下結論。

1)隨著穿孔直徑的增大，吸聲材料在高頻區域的吸聲性能得到提高。

2)增加穿孔板的厚度，使吸聲材料吸聲系數峰值的位置向低頻方向移動，有利于提高低頻區域的吸聲效果。

3)增大穿孔板的穿孔率，可拓寬吸聲材料的吸聲頻帶，但吸聲系數的峰值會降低。

4)廢棄滌綸織物層數即滌綸織物厚度的增加，使吸聲材料的吸聲系數峰值增加，并且吸聲頻帶向低頻區域偏移。

吸聲材料的吸聲性能是通過各個參數共同作用的結果，要使材料達到較好的吸聲效果，宜采用較薄的板，并且適當地增加孔徑、穿孔率及穿孔板后廢棄滌綸織物的層數。

FZXB

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Fabrication and sound absorption properties of waste fiber composite materials

Lü Lihua,BI Jihong,YU Xiang

(CollegeofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian,Liaoning116034,China)

In view of the problem of low utilization rate of waste textile fibers,polyester fiber/thermoplastic polyurethane composite material was prepared from waste fiber as reinforcing material,thermoplastic polyurethane as matrix material by blending hot pressing method.The composite was processed into a perforated plate and combined with waste polyester fabric to constitute a sound absorbing material.The influence of four structure parameters of perforate plate aperture,perforate plate thickness,perforation rate and polyester fabric layer number on sound absorbing properties was investigated.The results showed that the perforated plate aperture affected the sound absorption coefficient peak of the sound-absorbing composite; and perforate plate thickness,perforation rate and polyester fabric layer number affected the sound-absorbing frequency range of the composite.

waste fiber; sound absorption property; composite material; absorption coefficient

10.13475/j.fzxb.20151002505

2015-07-10

2015-11-13

呂麗華(1978—)，女，副教授，博士。研究方向為廢棄纖維再生資源化利用技術。E-mail: lvlh1978@163.com

TQ 340.68

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