經編間隔織物增強聚氨酯復合材料的制備及其吸聲性能

陳　思，高曉平，龍海如

(1. 內蒙古工業大學 輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080；2． 東華大學 紡織學院，上海 201620)

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經編間隔織物增強聚氨酯復合材料的制備及其吸聲性能

陳思1，高曉平1，龍海如2

(1. 內蒙古工業大學 輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080；2． 東華大學 紡織學院，上海 201620)

摘要：將具有不同結構參數的經編間隔織物與聚氨酯泡沫材料復合，制備了7種經編間隔織物增強聚氨酯復合材料試樣.利用駐波管對復合材料進行了吸聲性能測試，探討間隔絲墊紗方式、織物厚度和表面組織結構對復合材料聲波吸收性能的影響.測試結果表明，復合材料具有優異的吸聲特性，其吸聲性能可以通過改變織物結構參數進行調整.

關鍵詞：經編間隔織物； 聚氨酯泡沫； 吸聲性能

隨著現代工業的發展，噪聲污染日趨嚴重，已經對人類身體健康和工作學習造成了巨大危害.噪聲污染是繼水污染、大氣污染、固體廢棄物污染之后的第四個環境污染問題[1].如何降低噪聲污染的危害已成為科研人員的研究重點.目前普遍采用的方法是使用聚合物多孔材料對噪聲進行吸收，這類多孔材料包括工業橡膠板、發泡硅膠板、發泡聚氨酯泡沫塑料等[2]. 這些材料在吸聲方面各有特點，但在追求材料性能多元化方面就略顯不足.例如,不能兼具優異的吸聲和力學性能，且材料自身相對密度大、易水解或無阻燃性能等.近幾年，大量的紡織材料因其多孔結構在吸聲應用方面備受青睞，其中經編間隔織物的吸聲性能尤為突出[3-4].通過對經編間隔織物吸聲性能的研究可知，經編間隔織物的結構參數可以顯著地影響其吸聲性能，具體而言，織物厚度越大、表面層體積密度越大、孔隙率越小，織物的吸聲性能越好，且織物的吸聲能力隨聲頻的增加而增加，屬于中高頻吸聲材料[5].但與聚合物多孔材料類似，經編間隔織物在力學方面的性能并不令人滿意.因此，本文旨在使用先進復合材料制備方法，將經編間隔織物與聚氨酯這兩種多孔材料進行復合，開發一種兼具出色的聲學及力學性能的復合材料[6-7]，并實現材料性能的最優化配置以及功能的多元化.

1多孔材料吸聲理論

1.1多孔材料吸聲機理

多孔材料因其疏松、柔軟、多孔結構特性被廣泛應用于吸聲領域[8].當入射聲波到達多孔材料表面層時，聲波的振動引起多孔材料內部的孔隙中的空氣運動，空氣運動的本身就可以減弱高頻聲波強度，同時空氣的運動進一步造成材料孔壁與空氣以及孔壁之間的摩擦，聲波能量在摩擦和黏滯力的作用下轉變為熱能散發掉，從而使聲波強度衰減.由此可知，多孔材料中的孔隙和孔隙中的空氣與周圍環境進行熱交換而引起的熱能損失是多孔材料吸聲的根本原因.

1.2吸聲系數

吸聲系數(α)是反映材料吸聲性能的重要指標，其定義為材料吸收的聲波能量與入射到材料上的總聲波能量之比，計算公式[2]為

(1)

其中：Ei為入射聲波能量；Ea為被材料吸收的聲波能量；Er為被材料反射的聲波能量；λ為反射系數.α取值一般為0～1，α值越大，表示材料的吸聲性能越好.

2試樣的制備與結構

2.1經編間隔織物的結構及參數

本文所選取的7種經編間隔織物具有不同織物結構參數，圖1顯示了經編間隔織物的正視圖及右視圖.間隔絲的類型及間隔織物的結構參數如表1和2所示.所選經編間隔織物均在E18型拉舍爾雙針床經編機上編織.

(a) 正視圖

(b) 右視圖

類型直徑/mm墊紗方式及穿經Ⅰ0.20GB3:1-03-2/3-21-0//1穿1空GB4:3-21-0/1-03-2//1空1穿Ⅱ0.20GB3:1-04-3/4-31-0//1穿1空GB4:4-31-0/1-04-3//1空1穿

表2　經編間隔織物原料與結構參數

注：原料中的A和B分別代表33.3 tex/96f 滌綸(PET)復絲和PET單絲.

2.2復合材料試樣制備

本文所采用聚氨酯泡沫材料是一種聚氨酯泡沫的彈性體.該聚氨酯彈性體泡沫是由異氰酸酯和聚醚多元醇以質量比為43.9∶100在室溫下反應發泡，且發泡均勻.其制備在一個模具中進行，在其制備過程中，模具上下表面的距離可以調整成與間隔織物厚度相同，以確保制備出的聚氨酯復合材料厚度與間隔織物厚度完全一致.聚氨酯泡沫反應漿料沿間隔織物的經向注入，制備的經編間隔織物增強聚氨酯復合材料制品一般在熟化脫模后24h可達到完全熟化穩定，可以對其進行下一步試驗測試. 制備出的聚氨酯基復合材料如圖2所示，其結構參數如表3所示.

(a) 示意圖

(b) 實物圖

表3　聚氨酯基復合材料結構參數

注：復合材料試樣C1～C7由對應的間隔織物S1～S7制備得出.

3吸聲性能測試及結果分析

3.1吸聲系數測試

依據傳播函數法對樣本進行吸聲系數的測量[9].測量儀器為北京聲望公司生產的SW260型阻抗管，如圖3所示.依據GB J88—1985在溫度為(23±2)℃和相對濕度為(65±5)%的標準靜音室中進行吸聲系數測試.每個樣品的測量值都取3次測量后的平均值.

圖3　吸聲系數測試裝置Fig.3　Sound absorption coefficient measurement instrument

3.2測試結果分析

3.2.1間隔絲墊紗方式對吸聲系數的影響

復合材料試樣C1和C2的間隔絲墊紗方式分別為1-0 3-2/3-2 1-0 和1-0 4-3/4-3 1-0，由此可知，2種復合材料試樣間隔絲的橫移針距數分別為3和4.在一個墊紗循環中(間隔絲橫移 3 和 4 個針距時)間隔絲排列的示意圖如圖4所示.圖4中面AB′BA′ 代表織物的第一個橫列，面CD′DC′ 代表織物的第二個橫列，AC(A′C′) 面為織物的上表面，BD(B′D′) 面為織物的下表面，實線代表間隔梳櫛GB3的運動軌跡，虛線代表間隔梳櫛GB4的運動軌跡，圖4中各點與墊紗數碼的對應關系如表4所示.由圖4可知，間隔絲橫移針距數可以直接影響間隔絲傾斜程度.當間隔絲橫移針距數越大，間隔絲軸向越接近水平；反之，間隔絲橫移針距數越小，間隔絲軸向越接近垂直，且間隔絲橫移針距數越小所形成的間隔絲長度越短.

(a) 1-0 3-2/3-2 1-0

(b) 1-0 4-3/4-3 1-0

Table 4The corresponding relation between lapping movements and dots

織物AA'BB'CC'DD'S11-03-23-21-03-21-01-03-2S21-04-34-31-04-31-01-04-3

2種間隔絲墊紗方式的復合材料試樣的吸聲系數測試結果如圖5所示.

圖5　不同間隔絲墊紗方式的復合材料吸聲系數曲線Fig.5　The sound-absorption coefficient curves of the composites with different lapping movements of spacer yarns

由圖5可知，試樣的吸聲系數隨著間隔絲墊紗方式的變化而變化，且在不同的聲波頻率范圍內，2種試樣呈現出不同的聲波吸收規律.當聲波頻率小于1 000 Hz時，間隔絲橫移針距數較大的試樣具有較高吸聲系數；當聲波頻率為1 000～3 000 Hz時，情況發生了反轉，間隔絲橫移針距數較小的試樣具有較高吸聲系數；當聲波頻率大于3 000 Hz時，間隔絲橫移針距數較大的試樣再次擁有較高的吸聲系數.從吸聲系數峰值角度看，間隔絲橫移針距數較大試樣的吸聲系數峰值較大，且吸聲系數峰值所對應的聲波頻率高于間隔絲橫移針距數小的試樣.綜上說明，間隔絲橫移針距數較大的試樣在聲波頻率較高的范圍具有較好的吸聲特性.

這可以從聲波在試樣內部傳播的路徑來解釋上述現象. 當聲波頻率小于1 000 Hz時，聲波波長較長，聲波可以穿過試樣表層到達材料底層，由于間隔絲橫移針距數較大的試樣的厚度略大于間隔絲橫移針距數較小的試樣，這就造成聲波在間隔絲橫移針距數較大的試樣中傳播路徑較大，對聲波的消耗較大；當聲波頻率大于1 000 Hz時，聲波波長變短，聲波穿過試樣表層進入材料內部.眾所周知，聲波的散射、反射和折射路徑都會因為試樣內部間隔絲的不同排列方式而發生變化，進而造成了對聲波的吸收能力也不相同.從圖4可知，在單位面積內間隔絲橫移針距數較小試樣的內部所具有的間隔絲數量較多，且長度較長，這就導致聲波在試樣內部與間隔絲之間的接觸摩擦面積較大，造成了對聲波的消耗較大.隨著聲波頻率的增大，波長繼續變短，此時聲波在試樣中的傳播情況與聲波頻率小于1 000 Hz時相似.

3.2.2厚度對吸聲系數的影響

3種厚度的復合材料試樣的吸聲系數測試結果如圖6所示.圖6表明，試樣的吸聲系數隨著試樣厚度的增加而增加.此種現象與文獻[1-2,5,8]的研究結果一致，即材料的厚度越大，其吸聲性能越好.因此，可以通過提高材料厚度以增加聲波在材料內部的摩擦消耗來達到減弱聲波強度的目的.通過對比試樣C1和C3的吸聲系數可以發現，材料厚度的增加可以明顯提高材料的吸聲性能；而試樣C1和C4的吸聲系數非常接近.以上結果說明材料的厚度存在一個臨界值，當材料厚度小于這個臨界值時，材料的吸聲系數會隨著厚度的增加而明顯增大；當材料厚度大于這個臨界值時，材料吸聲系數隨厚度增加而增加的幅度變小，由此可知,臨界厚度值可以當作選擇吸聲材料厚度的一個限制條件.

圖6　不同厚度的復合材料吸聲系數曲線Fig.6　The sound-absorption coefficient curves of the composites with different thickness

3.2.3表面組織結構對吸聲系數的影響

間隔織物表面組織結構會對織物表面密度、間隔絲的排列以及端部的束縛情況造成影響.因此為了探討表面組織對復合材料吸聲性能的影響，選取了4種織物表面組織結構：編鏈+襯緯、菱形網孔、六角形網孔和經平絨，如圖7所示.

4種表面組織結構試樣的吸聲系數測試結果如圖8所示. 圖8表明，不同表面組織的試樣具有不同的聲波吸收特性.具體而言，當聲波頻率小于3 000 Hz時，表面組織結構為密實組織的試樣 (C1和C7) 具有較好的吸聲性能，且隨著表面組織密實程度的增加，試樣的吸聲能力也增加 (C7 >C1)；當聲波頻率大于3 000 Hz時，表面組織結構為開孔組織的試樣 (C5和C6) 具有較高的吸聲能力，且隨著表面組織開孔程度的增加，試樣的吸聲能力變弱 (C5 >C6).

(a) 編鏈+襯緯

(b) 菱形網孔

(c) 六角形網孔

(d) 經平絨

圖8　不同表面組織的復合材料吸聲系數曲線Fig.8　The sound-absorption coefficient curves of the composites with different surface structures

出現上述現象的原因：不同的織物表面組織結構引起織物內部的結構發生變化，進而造成了聲波與材料內部的摩擦程度也不同，故不同表面組織結構的試樣具有不同的聲波吸收特性.不同的表面組織結構也會導致試樣表面層密度不同，當聲波到達試樣表面層時，與表層纖維之間的摩擦程度也不同，進一步造成了對聲波吸收的差異.當聲波頻率小于1 000 Hz時，聲波波長較長，聲波到達試樣底層，表面組織結構為密實組織的試樣所具有的纖維體積分數較大，進而造成聲波與纖維之間的摩擦也較大，對聲波的消耗也較大.隨著聲波頻率的增大，聲波波長變短，聲波穿過試樣表層進入材料內部.對于表面組織結構為開孔組織的試樣而言，其內部的間隔絲排列要比密實組織雜亂，這就導致聲波在試樣內部與間隔絲之間的接觸摩擦機會增大，進而通過摩擦生熱對聲波消耗.

3.2.4復合材料、間隔織物及聚氨酯泡沫吸聲系數的對比

為了探討復合材料、間隔織物以及聚氨酯泡沫3者之間吸聲性能的差異，選取了2種復合材料 (C1和C4) 、2種間隔織物 (S1和S4) 以及一種與試樣C4具有相同厚度的聚氨酯泡沫板進行吸聲性能測試，對比結果如圖9所示.

圖9　復合材料、間隔織物及聚氨酯泡沫吸聲系數的對比Fig.9　Sound absorption coefficient for composites, spacer fabrics and polyurethane foam

圖9表明：復合材料呈現出共振吸聲材料的特性，即在特定的聲波頻率，材料的吸聲系數達到最大值，而在其他聲波頻率范圍內吸聲系數均降低；間隔織物呈現出多孔吸聲材料的特性，即材料的吸聲性能隨著聲波頻率的增大而增大.復合材料和間隔織物呈現出不同的吸聲特性，這是由于材料內部結構的不同而導致對聲波吸收機理的不同.聚氨酯泡沫板呈現出與復合材料相似的吸聲特性，但其吸聲能力低于復合材料.

通過圖9還可知，復合材料具有優異的聲波吸收特性，且其吸聲性能優于間隔織物與聚氨酯泡沫吸聲性能的疊加.出現上述現象的原因有以下幾點：(1)復合材料增加了聲波與材料之間的摩擦，從而消耗更多的聲波能量；(2)由于復合材料內部結構松軟、多孔，空氣中聲波的振動更容易穿過材料表面進入材料內部，因此復合材料可以更有效地將聲波能量轉變為機械能以消耗更多的聲波能量；(3)在復合材料制備過程中，空氣的混入使材料的內部出現一些空洞，這些空洞的存在增加了材料與聲波之間的摩擦，進一步消耗了聲波能量.

4結語

本文對經編間隔織物增強聚氨酯復合材料在100～6 300 Hz 的聲波范圍內的吸聲性能進行了測試分析.結果顯示，經編間隔織物增強聚氨酯復合材料具有優異的吸聲特性，尤其是在聲波頻率小于3 000 Hz 的范圍內.經編間隔織物的結構參數對復合材料的吸聲性能有明顯的影響，說明可以通過改變織物結構參數來調整復合材料的吸聲性能以滿足實際工程的使用需求.

參考文獻

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文章編號：1671-0444(2016)03-0332-06

收稿日期：2015-10-26

作者簡介:國家自然科學基金資助項目(11462016) 陳思(1985—)，男，內蒙古包頭人，講師，博士，研究方向為針織結構復合材料. E-mail:ansn9119@126.com

中圖分類號：TS 186.1

文獻標志碼：A

Preparation of Polyurethane-Based Composites Reinforced with Warp-Knitted Spacer Fabrics and Their Sound-Absorption Behaviors

CHENSi1,GAOXiao-ping1,LONGHai-ru2

(1. College of Light Industry and Textile, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080, China；2. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Seven kinds of polyurethane-based composite samples were prepared by impregnating the warp-knitted spacer fabrics varying structural parameters with flexible polyurethane foam. The sound-absorption test was carried out to investigate the influence of fabric structure parameters including the lapping movements of spacer yarns, thickness and surface structure on the sound-absorption behaviors by using an impedance tube. The test results show that the composites possess excellent sound-absorption behaviors and their properties can be adjusted by varying the fabric structural parameters.

Key words:warp-knitted spacer fabrics; polyurethane foam; sound-absorption behaviors