廢棄羽毛的結構特征及其吸聲性能

呂麗華， 劉英杰， 郭 靜， 王 瀅， 畢吉紅， 葉 方

(大連工業大學 紡織與材料工程學院， 遼寧 大連 116034)

我國是世界上家禽養殖業發達國家之一，雞、鴨、鵝等禽類的羽毛產量每年都在百萬噸以上[1-2]。然而，大多數養殖場都直接將羽毛丟棄,這些廢棄的羽毛不僅造成了浪費，污染環境，威脅人類健康，還暗藏著火災隱患，所以如何將這些廢料加以回收利用，制造高附加值的產品具有重要意義。

從目前的綜合利用情況來看，羽毛纖維在動物飼料、角蛋白膜、醫藥農藥、包裝材料、化妝品和洗滌劑、吸聲降噪器的仿生設計、廢棄羽毛纖維增強復合材料等領域都有一定的應用價值[3-5]。羽毛最大的特點是其有獨特的中空蓬松結構，國內外學者充分利用了其優勢，對廢棄羽毛用作吸聲材料進行相關研究。Yang等[6-7]利用高密度聚乙烯為基體材料，雞羽毛作為增強材料，重點研究材料的力學性能并簡單測試了其吸聲系數，為開發雞羽毛吸聲復合材料提供了新的思路。Kusno等[8]通過集總平均法(EA Method)，對比了普通吸聲材料玻璃棉與雞毛的吸聲特性，探討雞毛作為聲學材料替代品的可能性。于偉東等[9-10]對腈綸、羽絨散纖維集合體和非織造布的結構特征與其吸聲性能之間的關系進行了研究,但研究結論沒有給出羽絨具有優異吸聲性能的根本原因。此外，其所用原料為羽絨，只占羽毛的20%，不利于廢棄羽毛的綜合利用。

總的來說，廢棄羽毛作為動物飼料大規模開發利用價值不大；由于羽毛纖維較短，易起靜電，可紡性差，將其紡制成紗在技術方面有一定限制。廢棄羽毛具有中空蓬松的結構，毛羽相互交叉可形成大量相互貫通的孔隙，以廢棄羽毛為原料制得的材料吸聲性能優良，但目前對羽毛的細觀結構沒有詳細探討，有待建立羽毛細觀結構和吸聲系數的定量關系。本文以廢棄羽毛為研究對象，分析了廢棄羽毛的大分子結構、聚集態結構及其形態結構與其吸聲性能的關系；研究了纖維集合體的吸聲特性及其原因。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

廢棄羽毛，家禽養殖場提供；大麻纖維，六安大麻纖維科技有限公司提供；木棉纖維，中大紡織有限公司提供；羊毛，山東臨沂市羅莊區富迪毛紡廠提供；滌綸，秦皇島市金紡化纖有限公司提供。

CYG-005C型多功能纖維投影儀，上海光學儀器六廠；Spectrum One-B型傅里葉變換紅外光譜儀，美國PE公司；D/max-3B型X射線衍射儀，日本島津公司；JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社(JEOL)；SW477/SW422阻抗管測試系統，北京聲望聲電技術有限公司提供。

1.2 廢棄羽毛結構特征指標及測試方法

1.2.1 大分子結構測試

將廢棄羽毛羽枝部分壓片制得試樣，采用傅里葉變換紅外光譜儀測試其分子結構。

1.2.2 聚集態結構測試

將廢棄羽毛的羽枝部分剪碎壓實，采用X射線衍射儀測試其聚集態結構。廢棄羽毛纖維結晶度采用下式進行計算。該公式是Segal提出計算相對結晶度的經驗公式，即取2θ為9°和14°時的強度值來計算結晶度[11]。

式中：C為相對結晶度，%；I9為晶格衍射角在9°左右的極大強度；I14為 2θ角在峰谷為14°附近時的衍射峰強度。

1.2.3 形態結構測試

1.2.3.1羽枝長度測試 用剪刀將羽軸上的羽枝從根部剪下，采用手排法將其整理成縱向平行、伸直、一端齊平的纖維束進行長度測量，測試不同羽片上的羽枝纖維100根，得到羽枝纖維的長度范圍。

1.2.3.2羽枝線密度測試 依據GB/T 10685—2007《羊毛纖維直徑試驗方法投影顯微鏡法》，在多功能纖維投影儀下測試羽枝的線密度，測試羽枝根數為400，結果取平均值。

1.2.3.3羽毛橫向與縱向形態觀察 采用掃描電子顯微鏡觀察羽毛的橫縱向相貌，測試前將廢棄羽毛固定、噴金處理，分辨率為4 nm。

1.3 纖維集合體的參數計算及吸聲測試

1.3.1 纖維集合體體積分數及體積密度計算

選用羊毛、大麻、滌綸、羽毛及木棉5種待測纖維，分別制備形成直徑為10 cm，厚度為10 mm，體積為78.5 cm3的纖維集合體，纖維集合體質量為3 g，集合體體積密度均為38.22 kg/m3。為消除不同纖維具有不同密度的影響，采用下式計算纖維體積分數：

式中：m為纖維集合體質量，kg；ρ2為纖維的密度, kg/m3；V0為纖維集合體體積，m3。

纖維集合體體積密度的計算公式為

1.3.2 纖維集合體吸聲性能測試

依據GB/T 18696.1—2004《聲學 阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量》，使用阻抗管測試系統中的傳遞函數法測試不同類型的纖維集合體及不同體積密度的廢棄羽毛集合體在80～6 300 Hz頻率范圍內的吸聲系數。

2 結果與討論

2.1 廢棄羽毛的結構特征

2.1.1 大分子結構

廢棄羽毛的外層是由固醇與三磷酸酯構成的雙分子膜，約占羽毛質量的10%，里層是角蛋白質，約占羽毛質量的90%。固醇和三磷酸酯都是難溶于水的物質，因此，二者構成覆蓋在羽毛表面的雙分子膜使羽毛具有較好的防水性能[12]。為探究廢棄羽毛化學結構與吸聲性能的關系，利用傅里葉變換紅外光譜儀測試廢棄羽毛的紅外光譜圖，如圖1所示。可知，波長為3 274 cm-1處產生的強吸收峰為—OH和—NH伸縮振動吸收峰，1 625 cm-1處的吸收峰為角蛋白分子中—CO—NH—伸縮振動譜帶，1 520 cm-1處吸收峰主要為—N—H—彎曲振動峰，1 444 cm-1處吸收峰主要是羽毛角蛋白大分子中CH3CH2的—C—H—彎曲振動峰，1 230 cm-1處吸收峰為—C—N—伸縮振動峰，在波長640 cm-1附近有特征峰，說明含有—C—S基集合體，因此，印證了廢棄羽毛纖維是由大量的肽鏈組成的蛋白質類天然高分子化合物。

研究表明，鳥類的角蛋白二級結構主要是β-角蛋白[13]，其空間構象是β折疊，空間構象如圖2所示。β折疊中，每條多肽鏈具有不規則的中心螺旋結構，多肽鏈間以氫鍵、二硫鍵和其他交聯作用結合并相互纏繞形成繩索狀結構，從而形成了大量的空洞和縫隙，因此，當聲能入射到分子鏈時，無數條肽鏈間的縫隙和孔洞使聲能的傳播路徑更加曲折迂回，經過往返的傳播從而使聲能耗散。氫鍵具有很強的鍵合力，而肽鏈在這種束縛力的作用下，不能自由移動。當聲能作用于分子鏈段時，分子鏈主鏈震動后帶動肽鏈間的羥基運動，在恰當的條件下，羥基會隨著主鏈作往復運動，引起羥基之間氫鍵往復交替的變化，因此，肽鏈之間的氫鍵為分子鏈段的運動提供了更多的內摩擦，將聲能轉化為熱能或其他形式的能量，最終達到降噪效果。

角蛋白分子大量的肽鏈中含有無數肽平面，如圖3所示。C、H、O、N共6個原子的空間位置在肽平面上共面，且相鄰2個氨基酸上的側鏈R構成剛性反式構型，使肽鍵不能自由旋轉，因此，從纖維大分子結構的角度來看，每個分子鏈上的無數個肽平面內旋困難。當聲能作用于纖維分子鏈時，大分子鏈段的內部結構產生振動，在振動過程中由于肽鍵剛性平面的存在，要不斷克服外界阻力做功，從而將聲能轉化為機械能消耗掉。

2.1.2 聚集態結構

為進一步探究廢棄羽毛大分子的結晶程度與吸聲性能的關系，測得廢棄羽毛的X射線衍射圖譜如圖4所示。可以看出，在2θ為9.48°和20.02°處出現典型的角蛋白衍射峰，經計算廢棄羽毛的結晶度為42.9%，而羊毛、亞麻纖維、棉纖維的結晶度分別為81.2%[16]、70%[17]、70%[18]，因此，廢棄羽毛結晶度比其他天然纖維低很多，在廢棄羽毛纖維分子排列結構中，排列規整、緊湊，縫隙孔洞所占比例小的結晶區比分子鏈排列雜亂無序，結構疏松、空洞和縫隙所占比例大的結晶區小。聲波在纖維分子結構上的傳播是通過分子主鏈軸向、分子鏈上的原子振動及鍵的形變完成的[19]，當聚合物的結晶度低時，分子間距離較大，分子鏈排列相對疏松，孔隙率高，因此，分子間的相互作用弱，分子鏈較易運動，對聲波的消耗作用更強。

2.1.3 形態結構

廢棄羽毛結構如圖5所示。可以看出：正羽由羽軸和羽片兩部分構成，其中羽軸由羽根和羽干構成。羽根是位于羽軸下端沒有羽枝的部分，與羽干相比較粗，且呈透亮的管狀形態；羽軸上部扁平且逐漸變薄的細長管狀稱為羽干，羽干的雙側平行分布著很多整齊的羽枝。絨羽是密生在正羽下側且結構上與正羽有明顯區別的部分；絨羽的羽枝細長呈絲狀，羽干細且密，羽枝呈放射狀從羽軸根部生出。毛羽羽軸較硬，僅在羽軸尖端有少量羽枝[20]。

2.1.3.1羽枝長度 根據禽類身體部分生長情況的不同，羽毛的羽枝長度變化較大，范圍一般在9～60 mm之間，平均長度為27 mm，比其他天然纖維短很多，因此，限制了廢棄羽毛在紡紗領域的應用。

2.1.3.2線密度 圖6示出纖維細度投影儀下觀察到的廢棄羽毛羽枝部分。可以看出，廢棄羽毛羽枝從根部開始，逐漸從帶狀扁平過渡到圓柱狀，因此，其線密度變化范圍較大，一般在5～25 μm之間。

2.1.3.3羽毛橫、縱向形態 圖7為廢棄羽毛形態結構的掃描電鏡照片。由圖7(a)可以看出，廢棄羽毛在掃描電鏡下呈現出層次分明的樹枝狀結構，每根羽軸兩側上生長著近乎平行排列的羽枝，羽枝間不易交叉，沿羽軸呈10°～40°排列。由圖7(b)可以看出，每根羽枝上生長著一根根微細纖長的羽小枝，其直徑一般從羽枝根部到梢部逐漸變細，并且截面形狀也發生了改變，即從扁平帶狀過渡為圓柱狀。由圖7(c)可知，在羽小枝的兩側布滿了粗細不勻的絨小枝。由圖7(d)可知，在絨小枝上會出現許多形態不規則骨節點，且骨節點產生與否及形態取決于羽毛的發育狀況、絨小枝在羽小枝，以及羽小枝在羽枝上的分布位置等。即廢棄羽毛纖維表面并不是光滑的，在縱向有凹凸不平的溝槽，且紋路不規則。在次一級的絨小枝上，表面出現了大小不一的溝痕，且排列規整。掃描電鏡照片的微觀觀測證實了廢棄羽毛本身的表面粗糙度較高，表面存在一定間隔的骨節，使聲波與纖維的接觸面積增大，從而增加聲能的耗散[21]。

廢棄羽枝纖維的橫縱向示意圖如圖8所示。從圖8(a)中能夠看出羽毛羽枝截面呈不規則皮芯結構，排列整齊，部分芯層可形成空腔。羽毛羽軸有很多孔洞，利于吸聲；由圖8(b)可知，顯微鏡下可清晰看到廢棄羽毛羽軸的泡狀空腔，這種獨特結構賦予羽毛輕質及良好的吸聲性能。當聲波作用于廢棄羽毛纖維時，聲波會引起空腔內空氣柱震動，導致空氣與腔壁摩擦，將聲能轉化為熱能，從而消耗聲能[22]。

2.2 纖維集合體吸聲性能分析

2.2.1 纖維集合體種類對吸聲系數的影響

圖9示出不同類型纖維的吸聲系數曲線圖，表1示出5種待測纖維的相關參數。

表1 待測纖維的相關參數
Tab.1 Related parameters of fibers to be measured

纖維種類纖維密度/(g·cm-3)纖維體積分數/%羊毛1.322895大麻1.52547滌綸1.382769羽毛1.143352木棉0.2913178

從圖9可以看出，廢棄羽毛與其他纖維集合體的吸聲系數差距較明顯。在5種纖維中，由于木棉纖維的中空度為80%～90%，密度最小，因此，木棉纖維的體積分數最高。對于廢棄羽毛來說，其自身具有眾多分叉毛羽，與其他纖維相比，單根羽毛上具有的纖維數量較多，等質量下纖維根數也越多，因此，廢棄羽毛集合體的吸聲性能優于其他纖維集合體。另外，介于羽毛與木棉纖維獨特的中空結構，在相同體積下，管內纖維無序排列會形成孔隙率高的纖維集合體，當聲波入射到纖維集合體中，纖維間形成的孔隙中存在的空氣會相應振動，由于黏滯阻力，將空氣的動能轉化為熱能，從而聲能達到耗散。纖維集合體的孔隙率越高，聲波穿過孔隙內的路徑曲折度高，孔隙通道更繁雜，聲波穿過孔隙耗能增加，因此廢棄羽毛與木棉纖維集合體的吸聲性能遠高于其他纖維。

羊毛的體積分數大于滌綸、大麻纖維，即單位體積內羊毛的根數多于滌綸、大麻纖維的。另外，羊毛表面呈現鱗片狀卷曲結構使得纖維集合體的內部孔隙迂曲度增加，纖維間的摩擦作用增強，大大提高了纖維及空氣與聲波的作用面積，使更多的聲能轉化為其他能量而耗散。滌綸的表面與大麻纖維相比更加光滑，因此，纖維集合體吸聲性能的排序為廢棄羽毛>木棉纖維>羊毛>大麻纖維>滌綸。

2.2.2 廢棄羽毛集合體體積密度對吸聲性能影響

已知實驗聲阻抗測試管的體積為78.5 cm3(管深為10 mm，直徑為10 cm)，纖維集合體的質量分別為1、2、3、4 g，對應的纖維集合體的體積密度分別為12.74、25.48、38.22和50.96 kg/m3，計算得到對應的纖維集合體的平均吸聲系數分別為0.171 6、0.243 3、0.316 7和0.441 6。

廢棄羽毛集合體體積密度對其吸聲系數曲線的影響如圖10所示。

由圖10可知，對于廢棄羽毛集合體，在一定范圍內，其吸聲性能隨著纖維集合體積密度的增加而增大，最大吸聲系數向低頻方向移動。原因是纖維集合體體積密度增大時，纖維間相互纏結的更緊密，致使纖維集合體的孔隙率增大，孔洞內空氣與纖維間相互摩擦，導致聲波能量消耗增加，所以吸聲性能較好。由于低頻聲波的波長較長，在纖維集合體體積密度較小時，會比較容易繞過材料，從而被吸收的聲能較少，低頻吸聲系數較低。反之，當增大纖維集合體的體積密度會導致最大吸聲系數向低頻方向移動。

為更直觀地表示廢棄羽毛集合體體積密度與吸聲性能間的關系，對二者進行線性擬合得到：

Y=0.006X+0.074

式中：Y為平均吸聲系數；X為廢棄羽毛纖維集合體密度，kg/m3；

擬合得到公式的相關系數為0.989，表明廢棄羽毛集合體的密度與平均吸聲系數相關度較高，且平均吸聲系數隨著纖維集合體體積密度的增大而增大。原因是隨著纖維集合體體積密度增加，單位體積內纖維根數增加，因而纖維間的縫隙孔洞減少，纖維間相互接觸的機會增加，且纖維接觸點的間距減小，因此，吸聲性能提高。

3 結 論

1)對廢棄羽毛大分子結構、聚集態結構及形態結構進行了研究，結果表明廢棄羽毛的特殊結構使其具有優良的吸聲性能。

2)分析了纖維集合體類型、廢棄羽毛集合體體積密度對其吸聲性能的影響。結果表明，所測纖維集合體吸聲性能排序為：廢棄羽毛集合體>木棉纖維集合體>羊毛集合體>大麻纖維集合體>滌綸集合體。廢棄羽毛集合體積密度對吸聲性能影響結果為：在整個測試頻率范圍內吸聲性能隨纖維集合體密度的增加而提高，且纖維集合體最大吸聲系數對應的吸聲頻率隨纖維集合體密度的增加逐漸降低。