廢棄羽毛阻燃吸聲復合材料的制備及其性能

鹿 晶，畢吉紅，呂麗華

(大連工業大學 紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034)

據粗略估計, 我國每年家禽加工業以及羽絨制造業所產生的羽毛副產物在1.0×107t以上[1]。羽毛副產物部分用作被褥的填充料，部分用作提取動物飼料或者肥料，甚至采用填埋、焚燒等方式進行處理[2]，羽毛資源并未被人們充分利用，而且還存在很大程度的浪費。提高廢棄羽毛的利用率具有重要意義。

羽毛具有中空蓬松的優良結構和良好的拒水性[3]，質量輕，密度為0.97～0.99 g/m3，孔隙率較高，從此結構來看，羽毛很適合用來做吸聲材料。

目前，國內關于廢棄羽毛的利用多為提取羽毛中的角蛋白，張延新等[4]研究了一種吸附異味的羽毛棉，該發明提高了廢棄羽毛的利用率。鄧湘文等[5]利用廢棄羽毛角蛋白制備出具有堅韌、無異味特點的膜，受到人們的喜愛。廢棄羽毛還廣泛地運用在醫療器械、包裝材料、日用洗滌品等領域[6]。但是廢棄羽毛在國內吸聲領域的相關研究并不多。國外關于廢棄羽毛的利用主要為以廢棄羽毛纖維為增強材料來制備復合材料領域。 CARRILLO等[7]分別采用高密度聚乙烯和聚乳酸作為基體材料，以廢棄羽毛作為增強材料研究了其力學性能。HAMOUSH[8]利用廢棄羽毛作為增強材料加入混凝土中，結果表明，混凝土的強度在廢棄羽毛含量為1%～2%時較高。由此可見，廢棄羽毛作為復合材料的增強材料具有一定的優點。由于羽毛具有中空蓬松結構且質量輕，對廢棄羽毛作為吸聲材料也有部分研究，KUSNO等[9]研究了雞毛的吸聲性能，只是采用了將雞毛放進塑料網中，在容器內壓實到一定的密度和厚度，此方法對于成型還有一定的缺陷，但是也證實了廢棄羽毛可作為吸聲材料。使用羽毛纖維作為吸聲材料仍存在一定的缺陷，其易燃燒[10]，因而賦予廢棄羽毛材料良好的阻燃性能是材料研究中的要點。

本文主要研究以廢棄羽毛為增強材料，以聚乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)為基體材料來制備阻燃吸聲復合材料，分別對廢棄羽毛和基體材料進行阻燃處理，使制備的復合材料具有一定的阻燃性,探究制備廢棄羽毛/EVA阻燃吸聲復合材料的較好吸聲性能的工藝條件，并進行吸聲系數的測試和阻燃性能測試，可使廢棄羽毛的利用率進一步得到提高。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

實驗儀器：CH-10型小型混合機(中南制藥機械公司)；QLB-50D/Q型MN壓力成型機(江蘇省無錫市中凱橡膠機械有限公司)；LFY-606B型數顯氧指數測定儀(山東省紡織科學研究院)；SW422/SW477型SW阻抗管(北京聲望聲電技術有限公司)。

實驗原料：廢棄羽毛(大連奧芙雅羽絨有限公司)。廢棄羽毛試樣的制作方法為：利用鋼絲支撐網，規格為1 cm× 1 cm×10 cm 的長方體，將0.2 g廢棄羽毛填充其中，每個試樣制取3組。

實驗藥品：聚乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚磷酸銨、季戊四醇、純堿(Na2CO3)、氟鈦酸鉀(K2TiF6)、檸檬酸(C6H8O7),均為分析純，科密歐化學試劑有限公司。

1.2 工藝過程

1.2.1 洗滌處理工藝

將羽毛在純堿質量分數為6%～13%，pH值為4～6，浴比1∶40條件下洗滌。洗滌后的羽毛在高溫高壓滅菌鍋中處理，溫度為99.0 ℃,壓力為-0.002 MPa。

1.2.2 阻燃處理工藝

1.2.2.1廢棄羽毛的阻燃處理

由于廢棄羽毛表面具有拒水的分子膜，常規的大分子阻燃劑不能滲透到內部與其中的基團反應，為了獲得永久的阻燃效果，選用金屬絡合物整理劑處理以提高廢棄羽毛的阻燃性能。

阻燃處理工藝步驟為：用電子天平稱取實驗所需的洗滌處理過的廢棄羽毛，然后稱取一定量的氟鈦酸鉀放入蒸餾水中，用檸檬酸調節pH值到2～3，浴比1∶150，加入廢棄羽毛，浸潤完全后放入60～80 ℃的電熱恒溫水浴鍋中。反應完成后，將廢棄羽毛用熱水洗滌再用冷水清洗幾次。

1.2.2.2EVA材料的阻燃處理

研究表明，聚磷酸銨與季戊四醇的質量比2.5∶1.0，對EVA的添加量為質量分數33.3%時，所制成的阻燃性EVA的阻燃性能較好[11]。因此，本文實驗參照該研究結果，取聚磷酸銨與季戊四醇質量比2.5∶1.0，對EVA的添加量為質量分數33.3%制成阻燃性EVA。

1.2.3 熱壓成型工藝

熱壓溫度為90 ℃，熱壓壓力8 MPa，熱壓時間30 min，廢棄羽毛質量分數60%，聚乙烯-醋酸乙烯酯質量分數40%，厚度10 mm。

工藝流程為：物料混合→物料鋪裝→熱壓機預熱→恒溫恒壓成型→冷卻脫模。

1.2.4 吸聲測試工藝

熱壓成型工藝采用直徑分別為30、100 mm的不銹鋼模具，分別適用于管徑為30、100 mm的阻抗管。阻抗管末端的揚聲器產生聲波，然后聲波在另一端傳輸到樣品表面。反射信號由傳感器接收。吸聲系數定義為樣本未反映的聲能比管徑100 mm阻抗管可以測量聲音在80～2 500 Hz的頻率范圍內的吸聲系數，而管徑為30 mm的阻抗管可以產生聲音在1 600～6 300 Hz頻率范圍內的吸聲系數。吸聲系數在滿頻率范圍(80～6 300 Hz)是在2個管中測量的值的組合。在吸聲測試過程中，樣品均由剛壁支撐。由于后置空氣層厚度對材料吸聲性能有較大的影響[12]，因此，采用單因素分析法研究后置空氣層的最佳厚度。分別使后置空氣層為0、10、20、30 mm并對其進行吸聲性能的測試。

1.3 性能測試

1.3.1 阻燃性能

參照GB/T 8924—2005《纖維增強塑料燃燒性能試驗方法 氧指數法》進行阻燃性能測試，測試條件為在氮氣和氧氣混合氣體中，設置初始氧氣體積分數為25%，溫度為(23±2)℃。

阻燃性能用極限氧指數進行表征。極限氧指數(LOI)即在規定的實驗條件下，氧氮混合氣體中材料剛好保持燃燒狀態時所需的最低氧氣濃度[13]。一般情況下，LOI越高，材料的阻燃性能越好。

1.3.2 吸聲性能

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2部分:傳遞函數法》進行測試。所測頻率范圍為80～6 300 Hz,測試過程均在大氣溫度為24 ℃,相對濕度為65%,聲速為345.6 m/s,空氣的特征阻抗為409.78 Pa·s/m的環境中進行。

2 結果與分析

2.1 廢棄羽毛的阻燃工藝

為了獲得廢棄羽毛最佳阻燃性能，采用單因素分析法研究氟鈦酸鉀質量濃度、阻燃處理時間和阻燃處理溫度這3個影響因素對廢棄羽毛阻燃性能的影響，得出廢棄羽毛阻燃處理的最佳條件。

2.1.1 氟鈦酸鉀質量濃度的影響

研究氟鈦酸鉀質量濃度對阻燃性能的影響時，固定阻燃處理時間為1 h，阻燃處理溫度為60 ℃。表1為改變氟鈦酸鉀質量濃度時所測得的廢棄羽毛的極限氧指數。可以看出，當氟鈦酸鉀質量濃度提高時，廢棄羽毛的極限氧指數也隨之上升。但是，由于廢棄羽毛的表面積是有限的，當氟鈦酸鉀質量濃度為2.667 g/L時，其極限氧指數達到最優值，再提高氟鈦酸鉀的質量濃度對廢棄羽毛的極限氧指數的影響效果不明顯。

表1 不同氟鈦酸鉀濃度下廢棄羽毛的極限氧指數

2.1.2 阻燃處理時間的影響

研究阻燃處理時間對阻燃性能的影響時，固定氟鈦酸鉀質量濃度為2.667 g/L，阻燃處理溫度為60 ℃。表2為不同阻燃處理時間下的廢棄羽毛的極限氧指數。可以看出，隨著阻燃處理時間的延長，廢棄羽毛的極限氧指數隨之提高。當廢棄羽毛吸附氟鈦酸鉀的能力達到飽和時，其極限氧指數不再提高。因此，確定阻燃時間為3 h。

表2 不同阻燃處理時間下廢棄羽毛的極限氧指數

2.1.3 阻燃處理溫度的影響

表3為不同阻燃處理溫度下的廢棄羽毛的極限氧指數，固定氟鈦酸鉀質量濃度為2.667 g/L，阻燃處理時間為3 h。可以發現，當阻燃處理溫度為70 ℃時，阻燃效果較好。從文獻[14]中可以發現，利用氟鈦酸鉀阻燃時，阻燃處理溫度對阻燃性能的影響趨勢為先升高，升到一定數值后再降低，這是因為此反應過程是可逆的。在此實驗過程中，本文實驗測試3個溫度后就出現了先升高再降低的趨勢。這是因為隨著阻燃處理溫度的升高，氟鈦酸鉀分子的熱運動加劇，使得廢棄羽毛表面吸附了更多的氟鈦酸鉀，升高到一定溫度后，廢棄羽毛表面氟鈦酸鉀的吸附與解離達到平衡狀態，隨著溫度的再升高，廢棄羽毛表面所吸附與解離的狀態不再平衡，解離程度大于吸附程度，使得此時的阻燃性廢棄的極限氧指數降低。

表3 不同阻燃處理溫度下廢棄羽毛的極限氧指數

通過實驗得到廢棄羽毛的最佳阻燃處理工藝條件為：氟鈦酸鉀質量濃度2.667 g/L，阻燃處理時間3 h，阻燃處理溫度70 ℃，該條件下所得羽毛試樣的極限氧指數可達到36.5%。

羽毛試樣燃燒前后狀態見圖1。

圖1 燃燒前后羽毛試樣

當氟鈦酸鉀中的TiF62-與廢棄羽毛結合時，會在水洗的作用下水解為TiOF2,受熱燃燒后氟化物分解，廢棄羽毛的阻燃作用取決于TiOF2。TiOF2其本身并不燃燒，其覆蓋在纖維表面，在燃燒時阻止了廢棄羽毛與氧氣的充分結合，同時也可抑制可燃性氣體的大量逸出，從而達到較好的阻燃作用[14]。

2.2 復合材料的阻燃工藝

廢棄羽毛/EVA阻燃吸聲復合材料，在氟鈦酸鉀濃度2.667 g/L，阻燃處理時間3 h，阻燃處理溫度為70 ℃，聚磷酸銨與季戊四醇的質量比2.5∶1.0，添加量為質量分數33.3%的工藝條件下，將阻燃處理后的廢棄羽毛與阻燃EVA混合后放入熱壓模具中，設置熱壓溫度為90 ℃，熱壓壓力為8 MPa，熱壓時間為30 min。脫模后得到廢棄羽毛/EVA 復合材料。裁剪試樣的規格為120 mm×10 mm×10 mm。利用LFY-606B型數顯氧指數測定儀測試其阻燃性能，測得其極限氧指數為32%，阻燃性能較好。

2.3 阻燃復合材料的吸聲性能

按照阻燃最優工藝條件：氟鈦酸鉀質量濃度2.667 g/L，阻燃處理時間3 h，阻燃處理溫度70 ℃，聚磷酸銨與季戊四醇的質量比2.5∶1.0，EVA的添加量為質量分數33.3%，制備廢棄羽毛/EVA阻燃復合材料，按照1.3對材料的吸聲性能進行測試。后置空氣層厚度對材料吸聲性能的影響如圖2所示，隨著后置空氣層厚度從0增加到30 mm，中低頻的吸聲性能提高，吸收峰值向低頻移動，吸聲系數在高頻處下降。當后置空氣層厚度為10 mm時，吸聲系數峰值最大，在250～2 000 Hz的頻率范圍內，吸聲系數增加，在2 000 Hz時，吸聲系數達到峰值為0.95，在2 000～6 300 Hz的頻率范圍內，吸聲系數開始逐漸減小。

圖2 后置空氣層厚度對吸聲性能的影響

廢棄羽毛具有中空蓬松的結構，當聲波傳播入射到廢棄羽毛時，就會使廢棄羽毛中的空氣振動，空氣也會和廢棄羽毛固體產生相對運動，空氣具有黏滯性，因此振動空氣的動能不斷地轉化為熱能，也使部分聲能轉化為熱能，由此產生聲音的消減、吸收[15]。由此看來，廢棄羽毛具有良好的吸聲性能，且后置空氣層厚度為10 mm時，吸聲系數峰值最大，可達0.95。

3 結 論

本文針對廢棄羽毛/EVA阻燃吸聲復合材料的制備和性能測試的實驗中，可得到以下結論:

①廢棄羽毛的最佳阻燃處理工藝條件為：氟鈦酸鉀質量濃度2.667 g/L,阻燃處理時間3 h，阻燃處理溫度70 ℃，該條件下廢棄羽毛試樣的極限氧指數可達到36.5%。

②阻燃處理過的廢棄羽毛和阻燃性EVA，通過熱壓工藝(熱壓溫度為90 ℃，熱壓時間為30 min，廢棄羽毛質量分數為60%)制得的廢棄羽毛/EVA阻燃吸聲復合材料，后置空氣層厚度為10 mm時，廢棄羽毛/EVA阻燃吸聲復合材料吸聲系數最大可達0.95，具有良好的吸聲效果。廢棄羽毛/EVA復合材料的阻燃性能較好，其極限氧指數為32%。