PP/PAN廢料復(fù)合材料
——一種聲學(xué)材料

P.Katkar，P.V.Kadole，A.Bhute

DKTES’s 紡織與工程學(xué)會(印度)

非織造布可由多種制備工藝制造，其中，針刺工藝在大批量生產(chǎn)低密度氈結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用最廣泛。因密度低和微觀結(jié)構(gòu)不均勻的特點(diǎn)，針刺非織造布的拉伸性能較不穩(wěn)定，同時無法滿足復(fù)雜的拉伸性能需求，從而導(dǎo)致針刺非織造布無法應(yīng)用于需大承載力的領(lǐng)域。在針刺非織造布基體中加入化合物如聚合物黏合劑可解決這一問題。事實(shí)上，這種多孔結(jié)構(gòu)非常有利于復(fù)合材料的制備，因?yàn)樗墒咕酆衔锘w很容易地貫穿其中。因此，可采用針刺非織造布工藝制備復(fù)合材料的增強(qiáng)基布，并在其上澆筑樹脂，從而結(jié)合非織造布結(jié)構(gòu)和樹脂材料的性能優(yōu)勢，制備可應(yīng)用于諸多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的復(fù)合材料。

合成纖維工業(yè)產(chǎn)生的廢棄物越來越多，產(chǎn)生的問題也日趨嚴(yán)重。合成纖維的處理方式(掩埋或焚燒)不當(dāng)易導(dǎo)致環(huán)境問題。減少對環(huán)境的負(fù)荷并有效利用這些廢棄物至關(guān)重要。

非織造布因其比表面積大而非常適用于聲學(xué)控制。然而，在所有的應(yīng)用環(huán)境中，單獨(dú)采用非織造布吸聲并不能提供令人滿意的解決方案。復(fù)合材料形式的吸聲材料則在質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度、厚度和表面質(zhì)量等方面滿足一定的條件。

基于此，本文嘗試采用假發(fā)制造業(yè)中產(chǎn)生的合成纖維廢料為原料，開發(fā)一種隔音復(fù)合材料。

1 試驗(yàn)

以合成纖維廢料為原料，制備聚丙烯/聚丙烯腈(PP/PAN)非織造布吸聲試樣。首先，制備不同面密度的非織造布作為增強(qiáng)基布，然后，將其與各類樹脂復(fù)合，制得復(fù)合材料試樣。

1.1 材料

用于非織造布的纖維：PP/PAN混合廢料；

纖維混比：m(PP)∶m(PAN)=80∶20；

針刺非織造布面密度：300，400和500 g/m2；

樹脂類型：不飽和聚酯、乙烯酯及環(huán)氧丙烯酸酯。

1.2 方法

在德國Dilo公司的M/S型針刺樣機(jī)上，以PP/PAN混纖廢料為原料制備3種不同面密度的針刺非織造布。然后，將其分別與3種不同類型的樹脂復(fù)合，制得9種復(fù)合材料試樣，如表1所示。采用TaguchiL9正交法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計并分析測試結(jié)果。

表1 9種復(fù)合材料試樣

2 結(jié)果與和討論

根據(jù)試驗(yàn)安排，制備了3種不同面密度的PP/PAN纖維針刺非織造布，并將其與3種不同類型的樹脂復(fù)合，制備獲得9種復(fù)合材料試樣。然后，測試這9種復(fù)合材料試樣的物理性能并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.1 復(fù)合材料試樣的面密度

Taguchi分析證實(shí)，作為增強(qiáng)基的非織造布的面密度對最終復(fù)合材料試樣的面密度有顯著影響(P=0.00)。研究表明，復(fù)合材料試樣的面密度隨著非織造布面密度的增大及樹脂用量的增大而增大。所采用的樹脂類型也影響復(fù)合材料試樣的面密度。澆筑相同面密度的針刺非織造布，采用環(huán)氧丙烯酸酯時其用量比乙烯酯大，不飽和聚酯的用量最少。圖1為復(fù)合材料試樣的面密度分析結(jié)果。

圖1 復(fù)合材料試樣的面密度

2.2 復(fù)合材料試樣的厚度

復(fù)合材料試樣的厚度隨著針刺非織造基布厚度的增大而顯著增大(P=0.00)。樹脂種類對采用相同面密度的針刺非織造布制備的復(fù)合材料試樣的厚度也有顯著的影響(P=0.00)，這可能與所用樹脂的量有關(guān)，澆筑針刺非織造布所消耗的不飽和聚酯量最少，因而其復(fù)合材料試樣的厚度最小。Taguchi分析也表明，作為增強(qiáng)基的非織造布的厚度對最終復(fù)合材料試樣厚度的影響大于所采用樹脂種類的影響。圖2為復(fù)合材料試樣的厚度分析結(jié)果。

圖2 復(fù)合材料試樣的厚度

2.3 復(fù)合材料試樣的密度和孔隙率

Taguchi分析表明，復(fù)合材料試樣制備過程中所用樹脂種類對復(fù)合材料試樣的密度和孔隙率有較大的影響(P=0.00)。因不飽和聚酯的密度較大，因此使用該類型樹脂形成的復(fù)合材料試樣的密度大于采用乙烯酯和環(huán)氧丙烯酸酯形成的復(fù)合材料試樣。圖3為復(fù)合材料試樣的密度分析結(jié)果。

圖3 復(fù)合材料試樣的密度

隨著復(fù)合材料試樣面密度的增大，其孔隙率顯著減小(P=0.01)。圖4為復(fù)合材料試樣的孔隙率分析結(jié)果。

圖4 復(fù)合材料試樣的孔隙率

因乙烯酯的密度較小，使用乙烯酯的復(fù)合材料試樣的孔隙率也較小，澆鑄過程中，密度小的乙烯酯較容易通過非織造布的各纖維層，因此，其在非織造基布上具有較好的穿透性。

當(dāng)非織造布的面密度較大時，復(fù)合材料試樣的孔隙率顯著降低，其原因有兩方面，一方面，隨著非織造布面密度的增大，纖維體積率增大，其與樹脂的接觸面積得以增大；另一方面，隨著非織造布面密度的增大，復(fù)合材料試樣的厚度增加，樹脂的滲透性降低，導(dǎo)致復(fù)合材料試樣的孔隙率降低。

2.4 復(fù)合材料試樣的吸聲效果

非織造復(fù)合材料試樣的吸聲效果明顯，如圖5所示。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，非織造布的面密度和樹脂種類這兩個變量對復(fù)合材料試樣的吸聲效果有顯著的影響(P<0.00)。3種含樹脂的復(fù)合材料試樣中，采用環(huán)氧丙烯酸酯的復(fù)合材料試樣因具有較大的厚度而表現(xiàn)出更好的吸聲性能。隨著非織造布面密度的增大，復(fù)合材料試樣的厚度增加，從而提高了對聲波的阻隔效果，使復(fù)合材料試樣的吸聲率得以提高。

圖5 復(fù)合材料試樣的吸聲率

3 結(jié)論

研究表明，非織造布經(jīng)樹脂強(qiáng)化后，其吸聲性能有所提高。因此，可將非織造布增強(qiáng)復(fù)合材料用作吸聲材料。樹脂類型和非織造布的面密度對最終非織造布增強(qiáng)復(fù)合材料的性能有較大的影響。較大的非織造布面密度可明顯增加復(fù)合材料試樣的面密度和厚度。含有環(huán)氧丙烯酸酯的復(fù)合材料試樣表現(xiàn)出更好的吸聲性能。