涂层厚度对玄武岩长丝振膜织物吸声性能的影响

郭宗福 钟智丽

(天津工业大学纺织学院，天津，300160)

涂层厚度对玄武岩长丝振膜织物吸声性能的影响

郭宗福 钟智丽

(天津工业大学纺织学院，天津，300160)

主要讨论了涂层厚度对玄武岩长丝振膜织物的弹性模量和平均吸声系数的影响。本试验在CSW小样织机上试织了玄武岩长丝平纹织物，在Werner Mathis AG LTF97885涂层机上对试织织物进行涂层，使用Instron3380型多功能试验仪和VA－Lab4 IMP-AT材料吸声系数测试系统分别测试了振膜织物的弹性模量和吸声系数，讨论了涂层厚度对弹性模量和平均吸声系数的影响，并使用MATLAB7.0数学处理软件对玄武岩长丝振膜织物的平均吸声系数和涂层厚度进行一元二次回归分析，得出最优涂层厚度。结论:当涂层厚度为0.10 mm左右时，玄武岩长丝振膜织物的断裂强力和弹性模量均优良;当涂层厚度为0.16 mm时，玄武岩长丝振膜织物的平均吸声系数最大。试验结果为玄武岩长丝在声学上的应用提供了一定的理论依据，应该加大玄武岩长丝用作振膜材料的开发，扩展玄武岩纤维及其织物的应用领域。

玄武岩长丝振膜织物，涂层厚度，弹性模量，吸声系数，振膜材料

优良的振膜材料应该具备以下三个条件:一是密度应尽可能低，保证扬声器具有较高的灵敏度;二是振膜材料的刚性即弹性模量应尽可能高，从而保证扬声器有较低的失真;三是具有较高的内阻尼，以使扬声器的分割振动减小［1］。纸盆振膜的缺点是其特性随着环境的湿度而变化，纸吸湿以后它的密度会变大，刚性变差，发声的特性也会受到影响。以聚丙烯材料为基体制作的塑料振膜在动态、失真率、细节表现和发生效率上都有了不同程度的改善，比如Dynaudio和Infinity/Genesis都采用此类振膜，改善效果比较明显［2］。金属振膜弥补了纸盆振膜和塑料振膜刚性弱的特点，但是振动时产生的能量不会被振膜材料本身吸收，会导致“金属声”的出现［3］。随着芳纶、碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维的不断开发利用，许多优质的振膜得以研制成功，如浙江华乐电子有限公司生产的玻璃纤维振膜样品。

玄武岩纤维是一种新型的矿物纤维，具有质轻高强、使用温度范围大、优良的耐化学腐蚀性以及良好的隔音、吸音效果等特性［4］。此外，与芳纶、碳纤维等高性能纤维相比，玄武岩纤维具有生产成本低、环保无污染的优点。本文主要测试了玄武岩长丝振膜织物的弹性模量和平均吸声系数，讨论了涂层厚度对弹性模量和平均吸声系数的影响，为玄武岩纤维及其织物在声学方面的应用提供了一定的理论依据，拓宽了玄武岩纤维的产业用领域。

1 材料与仪器

玄武岩长丝(成都航天拓鑫实业有限公司)，规格为41 tex，细度为7 μm，密度为3 g/m2;以丙烯酸脂为原料制备的涂料 CSW-03型小样织机，Werner Mathis AG LTF97885涂层机，Instron3380型多功能试验仪，VA-Lab4 IMP-AT材料吸声系数测试系统(北京声望声电技术有限公司开发)。

2 玄武岩长丝振膜织物的制备

在CSW-03型小样织机上试织了玄武岩长丝平纹织物，其规格参数如表1所示。

表1 玄武岩长丝平纹织物规格参数

本试验使用的涂料是丙烯酸酯为原料制备的。丙烯酸脂是良好的阻尼材料，具有较好的力学性能和较高的阻尼值(tanδ＞0.3)［5］，这些特性使其成为制备涂料的优秀原料，它还能够提高玄武岩长丝振膜织物的内阻尼和改善玄武岩纤维的散纤现象，增加玄武岩长丝振膜织物的强度。本试验分别以0.05、0.10 和 0.30 mm 为涂层厚度对玄武岩长丝织物进行涂层，涂层后的织物如图1所示。

图1 玄武岩长丝振膜织物

3 玄武岩长丝振膜织物的性能测试

3.1 弹性模量的测试

本试验使用Instron3380型多功能试验仪测试振膜织物的弹性模量，结果如表2所示。

表2 涂层厚度对玄武岩长丝振膜织物弹性模量的影响

3.2 吸声系数的测试

不同频率的声波入射到同一材料中，材料的吸声系数也不同，通常所说的材料吸声系数指的是对应频率的吸声系数，或者用在倍频程的中心频率(包括 125、250、500、1 000、2 000 和4 000 Hz)下吸声系数的算术平均值即平均吸声系数来描述材料的吸声性能［6］。本试验采用该平均吸声系数来衡量玄武岩长丝振膜织物的吸声性能，使用VA-Lab4 IMP-AT材料吸声系数测试系统测试试样的吸声系数，结果如图2所示。

图2 涂层厚度与平均吸声系数的关系曲线图

3 结果与讨论

3.1 涂层厚度对弹性模量的影响

从表2可以看出，涂层厚度越大，玄武岩长丝织物的断裂强力越大，断裂伸长率也逐渐减小。但是随着涂层厚度增加，玄武岩长丝振膜织物弹性模量增大，当涂层厚度为0.05 mm时，弹性模量达到最优;当涂层厚度大于0.05时振膜的弹性模量随着涂层厚度的增加而逐渐减小。当涂层厚度为0.1 mm时，涂层厚度为织物厚度的1/2，此时的振膜织物既发挥出玄武岩长丝织物的高弹性模量和高强力性能，也发挥出丙烯酸树脂对振膜织物的耐磨性、结构稳定性增强作用，所以振膜织物的载荷较大。而当涂层厚度为0.30 mm时，涂层厚度大于织物厚度，此时的振膜织物在拉伸断裂时，主要发挥的是丙烯酸树脂膜的力学性能，并不能完全发挥玄武岩长丝织物的功能，导致振膜织物断裂强力减小和弹性模量下降。

3.2 涂层厚度对平均吸声系数的影响

从图2可以看出，随着玄武岩长丝振膜织物涂层厚度的增加，平均吸声系数(所测所有频率声波吸声系数的算术平均值)也越大。当涂层厚度为0.10 mm左右时，平均吸声系数达到最高点;当涂层厚度大于0.10 mm后，随着涂层厚度的增加，平均吸声系数有逐渐下降的趋势，涂层厚度为0.30 mm的平均吸声系数比涂层厚度0.10 mm时有明显地下降。

为了得出涂层厚度和玄武岩长丝振膜织物的平均吸声系数之间的函数关系，本文利用Matlab7.0数学处理软件对平均吸声系数和涂层厚度进行一元二次回归分析。首先建立涂层厚度与平均吸声系数的关系式模型:

式中:x——涂层厚度，mm;

y——与x对应的玄武岩长丝振膜织物平均吸声系数;

a1、a2、a3——关系式的三个未知参数。

然后打开matlab7.0，在命令窗口输入以下程序代码［7］:

得到结果为:

即 a1=0.150 3;a2=0.479 2;a3=0.071 9，得到一元二次方程即涂层厚度对玄武岩长丝振膜织物平均吸声系数影响趋势关系式为:

利用 MATLAB7.0数学处理软件，绘制 y=0.150 3x－0.479 2x2+0.071 9 曲线图，求得最优的涂层厚度使得吸声y最大。在Matlab7.0命令窗口输入以下程序代码:

运行程序生成函数曲线图如图3所示。

通过图3的模拟曲线图可以看到，随着涂层厚度x增加(x最小精确到0.01)，玄武岩长丝振膜织物的平均吸声系数逐渐增大;当x=0.16 mm时，玄武岩长丝振膜织物的平均吸声系数达到最大值，即曲线图的最高点;当x＞0.16 mm时，随着x的增加，玄武岩长丝振膜织物的平均吸声系数逐渐减小。因此可以得出，当涂层厚度为0.16 mm时，玄武岩长丝振膜织物的平均吸声系数最大，吸声性能最优。

图3 涂层厚度对织物平均吸声系数的影响趋势曲线图

4 结论

(1)当涂层厚度为0.10 mm左右时，玄武岩长丝振膜织物的断裂强力和弹性模量均优良。

(2)当涂层厚度为0.16 mm时，玄武岩长丝振膜织物的平均吸声系数最大，吸声性能最优。

［1］周彦武.扬声器的振膜［J］.视听技术，1998(7):37.

［2］HANS M.Theory of low-frequnecy loudspeakers［J］.Alta Frequenza，1974，43(12):1023-1032.

［3］KLIPPEL W，SCHLECHTER J.Distributed mechanical parameters describing vibration and sound radiation of loudspeaker drive units［M］.Germany:University of Technology Dresden，2009:1-19.

［4］谢尔盖.玄武岩纤维的特性及其在中国的应用前景［J］.玻璃纤维，2005(5):46.

［5］曾威，李树才.胶乳型互穿聚合物网络阻尼材料［J］.高分子通报，2001(1):68-72.

［6］段剑，王从科，于波.纤维增强复合材料声学性能检测方法研究［J］.测试技术学报，2004，18(1):39-42.

［7］薜定宇.高等应用数学问题的Matlab求解［M］.北京:清华大学出版社，2004.

The influence of coating thickness on the basalt filament diaphragm fabric’s absorption properties

Guo Zongfu，Zhong Zhili
(School of Textiles，Tianjin Polytechnics University)

This paper focused on a comparative study on influence of coating thickness on elastic modulus and average absorption coefficient.Basalt filament diaphragm fabrics were woven with CSW-03 sample loom，using the Werner Mathis AG LTF97885 coating machine to coat the fabrics，using 3380 Instronbased multi-function tester and VA-Lab4 IMP-AT Materials Testing respectively to test and analysis basalt filament diaphragm fabric’s elastic modulus and absorption coefficient.Matlab7.0 mathematical processing software was used to analysis the effect relationship between the coating thickness and the average absorption coefficient of basalt diaphragm filament，and to get the optimal relationship points between coating thickness and absorption coefficient.Conclusions:when the coating thickness was about 0.10 mm，the breaking strength and elastic modulus were both well;when the coating thickness was 0.16 mm，the average absorption coefficient was best.The results provided a scientific basis for the development of the basalt filament diaphragm and must promote the product development of basalt fiber，and increase the market competitiveness.

basalt filament diaphragm fabric，coating thickness，elastic modulus，absorption coefficient，diaphragm material

TS102.4

A

1004－7093(2011)10－0023－03

2011－04－23

郭宗福，男，1985年生，在读硕士研究生。主要从事纺织新材料的研究及产品开发。