废弃纤维吸声复合材料的制备及其吸声性能

吕丽华,毕吉红,于 翔

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

废弃纤维吸声复合材料的制备及其吸声性能

吕丽华,毕吉红,于 翔

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

针对废弃纺织纤维利用率不高的问题，采用共混-热压工艺，以废弃纤维为增强材料，以热塑性聚氨酯为基体材料，制备废弃纤维/聚氨酯复合材料。将废弃纤维/聚氨酯复合材料加工成穿孔板，并与废弃涤纶织物贴合，构成吸声复合材料。重点研究了吸声复合材料中穿孔直径、穿孔板厚度、穿孔率及废弃涤纶织物层数4种结构参数对材料吸声性能的影响。结果表明：穿孔直径主要影响吸声材料的吸声系数峰值；穿孔板厚度、穿孔率和废弃涤纶织物的层数主要影响吸声材料的吸声频带范围。

废弃纤维；吸声性能；复合材料；吸声系数

截止“十二五”末，我国废旧纺织品累计产生量将超过1亿t，其中化纤类7 000万t，天然纤维类3 000万t[1-2]。这些废弃纺织纤维不仅造成惊人浪费，对环境污染也越来越严重，而且还暗藏着火灾隐患，因此如何回收利用这些废物，制造高附加值产品，已迫在眉睫。部分科技工作者[3-7]一直从事废弃纤维再生资源化利用技术研究，其中涉及废弃混纺纤维分离技术、废弃纤维作为增强材料制备复合材料的方法及工艺，废弃纤维制备复合材料的力学性能、阻燃性能及吸声性能等，并取得一系列成果。

另一方面，随着工业化和现代化步伐的加快，噪音污染变得越来越严重，其危害人们的学习、工作以及身体健康等。其次，作为以听闻为重要功能的声学建筑和较大体积的室内，如录音室、会议室等，其室内音质的好坏不仅取决于声源条件，且取决于室内声学材料的设计安装[8]，因此，开发具有降噪功能的吸声材料来有效地控制噪音污染,改善听闻条件是亟待解决的课题。

从声学角度看，废弃纺织纤维及其产品属于多孔纤维材料，具有很好的吸声效果，所以运用废弃纤维设计开发吸声材料可有效利用废弃纤维，是一种正确处理废弃纤维的有效途径。

使用穿孔板共振结构作为吸声结构应用在吸声材料上的想法是在1947年由Bolt[9]提出。从1975年起，马大猷[10-12]发表了一系列文章，总结出声波垂直入射和随机入射2种方式下微穿孔板吸声系数的计算方法。周晋花等[13]对带有多孔性吸声材料的复合穿孔板吸声结构的声学特性进行了研究计算。朱从云等[14]提出了多层吸声材料吸声系数的计算方法。盛胜我[15]对穿孔板背面紧贴吸声薄层材料的声学特性进行了理论计算，并与实验结果进行对比分析。

穿孔板在低频处吸声效果较好，但吸声频带较窄；多孔材料有较宽的吸声频带，但低频处吸声效果不好。本文以废弃涤纶纤维为增强材料，废弃聚氨酯为基体材料，采用共混塑炼-热压法制备废弃涤纶纤维增强热塑性复合材料；将废弃纤维/聚氨酯复合材料加工成穿孔板，将穿孔板与废弃涤纶织物贴合，旨在开发设计一种吸声系数高、吸声频带宽的吸声复合材料。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚氨酯：硬度65～72 D，东莞湘业塑料原料经营部；废弃纤维:大连神州纺织厂；废弃涤纶织物，面密度为145 g/m2,江苏旷达汽车织物集团股份有限公司。

1.2 实验仪器

SK-160B双辊塑炼机，上海思南橡胶机械有限公司；QLB-50D/Q MN压力成型机，江苏无锡中凯橡塑机械有限公司；NHY-W万能制样机，承德市试验机厂；SW477/SW422吸声测试系统，北京声望公司。

1.3 废弃纤维吸声材料设计

废弃纤维/聚氨酯复合材料的制备：以废弃涤纶纤维为增强材料，废弃聚氨酯为基体材料，采用共混塑炼-热压法制备废弃涤纶纤维增强热塑性聚氨酯复合材料。

工艺参数为：废弃纤维质量分数35%，聚氨酯质量分数65%，废弃纤维长度15 mm，混炼时间8 min，混炼温度170 ℃，热压压力5 MPa，热压时间15 min，热压温度175 ℃。

力学性能为：拉伸强度51.26 MPa，拉伸模量0.45 GPa；弯曲强度49.56 MPa，弯曲模量0.85 GPa；冲击强度35.71 kJ/m2。

废弃纤维吸声材料设计与制备：废弃纤维/聚氨酯复合材料本身并不具备吸声材料的特征，将废弃纤维/聚氨酯复合材料加工成穿孔板，将穿孔板与涤纶织物贴合，构成具有很好吸声性能的复合结构吸声材料。所制得的复合结构吸声材料如图1所示。

图1 吸声材料图Fig.1 Diagram of sound absorbing material.(a) Perforate plate; (b) Polyester fabric; (c) Perforate plateand three polyester fabrics

2 结果与讨论

吸声性能的好坏可用吸声系数α表示，吸声系数的变化范围为0～1，吸声系数越大，吸声性能越好。一般认为吸声系数大于0.2时，可称为吸声材料。

2.1 穿孔直径对吸声系数的影响

保持复合材料的穿孔率为2.8%，板厚为2 mm，涤纶织物层数为2层，研究穿孔直径对吸声性能影响，结果如表1和图2所示。

由表1和图2可看出，单纯考虑穿孔直径对吸声性能的影响时，在本文取值范围 0～6 300 Hz内，穿孔直径的改变会使吸声系数峰值(即共振吸声系数)出现在不同频率上。随着孔径增大,吸声系数峰值向高频区域移动。但改变范围不是很明显，这使吸声材料在高频范围内的吸声性能得到一定的提高；随着孔径增大，吸声材料的吸声系数峰值也随之增大，但吸声频带宽度(吸声系数为最大值一半时的频率称为半共振频率，2个半共振频率之间的频域为频带宽度f2/f1，f1、f2分别为2个半共振频率)变窄。在实际应用中，可通过适当增大穿孔直径来增加吸声材料的吸声性能。在使用过程中，由于灰尘等会使孔径变小，会有损材料的吸声性能，所以穿孔板的穿孔直径不宜过小。

表1 穿孔直径对吸声性能的影响Tab.1 Effect of perforation diameter on sound absorption performance

图2 穿孔直径对吸声系数影响曲线Fig.2 Influence curve of perforation diameter on sound absorption coefficient

2.2 板厚度对吸声系数的影响

当复合材料的穿孔率为1.6%，穿孔直径为1.5 mm，涤纶织物层数为3层时，穿孔板板厚对单层复合结构吸声材料吸声性能的影响如表2和图3所示。

表2 穿孔板厚度对吸声性能的影响Tab.2 Effect of perforated plate thickness on sound absorption performance

图3 穿孔板板厚对吸声系数影响曲线Fig.3 Influence curve of perforated plate thickness on sound absorption coefficient

由表2和图3可看出,改变穿孔板厚度即改变孔的深度，主要影响吸声材料在低频范围内的吸声性能。单纯从穿孔板厚度对微穿孔板吸声性能的影响考虑，在本文取值范围内随着穿孔板厚度的增加，吸声系数的峰值向低频方向移动，且在每条吸声系数曲线上，吸声系数峰值越大，图形越尖，带宽越窄。

穿孔板厚度的变化对材料吸声性能的影响，必然存在一个极限值，即使吸声系数出现最大值，因此，穿孔板厚度并非越小越好，其余参数确定后，板厚可找到一个最优值，这样既可通过减少穿孔板厚度来增大吸声系数，又可利用这一点减少穿孔板厚度，降低成本。

2.3 穿孔率对吸声性能的影响

当复合材料的板厚为2 mm，穿孔直径为1.5 mm，涤纶织物层数为3层这3个结构参数不变时，穿孔率对单层复合结构吸声材料吸声性能的影响如表3和图4所示。

表3 穿孔率对吸声性能的影响Tab.3 Effect of perforation rate on sound absorption performance

图4 穿孔率对吸声系数的影响Fig.4 Influence curve of perforation rate on sound absorption coefficient

单纯考虑穿孔率对吸声材料吸声性能的影响，在本研究的取值范围内，随着穿孔率的增大，吸声系数峰值的位置和吸声频带均向高频方向移动；共振吸声系数峰值变小，吸声频带宽度明显增加。在实际应用中，可通过增大穿孔率来增加吸声材料的吸声性能，但穿孔率的变化对材料吸声性能的影响也必然存在一个极限值；因此，选择穿孔率时并非越大越好，其余参数确定后，穿孔率可找到一个最优值。穿孔率太小，虽然在低频范围内的共振吸收峰值很高，但在高频区域内吸声效果很差；若穿孔率太大，虽然可拓宽吸声频带，但材料整体的吸声效果太差，不利于实际中应用，因此，在满足使用要求的前提下，可适当增加穿孔率，降低吸声系数峰值，增加吸声频带宽度。

2.4 织物层数对吸声性能影响

在复合材料的板厚为2 mm，穿孔直径为1 mm，穿孔率为2.8%时，织物层数对单层复合结构吸声材料吸声性能的影响如表4和图5所示。

表4 涤纶织物层数对吸声性能的影响Tab.4 Effect of polyester fabric layers on sound absorption performance

图5 涤纶织物层数对吸声系数的影响Fig.5 Influence curve of polyester fabric layers on sound absorption coefficient

单纯考虑废弃涤纶织物层数对吸声材料吸声性能的影响可看到：随着废弃涤纶织物层数的增加，吸声材料的吸声系数峰值随之增大，材料在低频范围内的吸声效果也有所改善，但相应的频带宽度改变不明显；共振吸声峰的位置及吸声频带均向低频方向移动。废弃涤纶织物作为多孔材料，其吸声功能依靠在材料中将声能逐渐消耗掉而实现，因此废弃涤纶织物层数对吸声材料吸声性能的影响有很重要的作用。在一定范围内，增加废弃涤纶织物层数，可提高其低频吸收性能，使其对低频和高频声波都有较好的吸声效果，这对改变材料的吸声性能有着特殊的意义。

从以上对4个参数分析可得出：穿孔直径主要影响吸声材料的吸声系数峰值；穿孔板厚度、穿孔率和废弃涤纶织物的层数主要影响吸声的频带范围。

3 结 论

本文将废弃纤维/聚氨酯复合材料加工成穿孔板，并与废弃涤纶织物贴合制得吸声材料，得出以下结论。

1)随着穿孔直径的增大，吸声材料在高频区域的吸声性能得到提高。

2)增加穿孔板的厚度，使吸声材料吸声系数峰值的位置向低频方向移动，有利于提高低频区域的吸声效果。

3)增大穿孔板的穿孔率，可拓宽吸声材料的吸声频带，但吸声系数的峰值会降低。

4)废弃涤纶织物层数即涤纶织物厚度的增加，使吸声材料的吸声系数峰值增加，并且吸声频带向低频区域偏移。

吸声材料的吸声性能是通过各个参数共同作用的结果，要使材料达到较好的吸声效果，宜采用较薄的板，并且适当地增加孔径、穿孔率及穿孔板后废弃涤纶织物的层数。

FZXB

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Fabrication and sound absorption properties of waste fiber composite materials

LÜ Lihua,BI Jihong,YU Xiang

(CollegeofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian,Liaoning116034,China)

In view of the problem of low utilization rate of waste textile fibers,polyester fiber/thermoplastic polyurethane composite material was prepared from waste fiber as reinforcing material,thermoplastic polyurethane as matrix material by blending hot pressing method.The composite was processed into a perforated plate and combined with waste polyester fabric to constitute a sound absorbing material.The influence of four structure parameters of perforate plate aperture,perforate plate thickness,perforation rate and polyester fabric layer number on sound absorbing properties was investigated.The results showed that the perforated plate aperture affected the sound absorption coefficient peak of the sound-absorbing composite; and perforate plate thickness,perforation rate and polyester fabric layer number affected the sound-absorbing frequency range of the composite.

waste fiber; sound absorption property; composite material; absorption coefficient

10.13475/j.fzxb.20151002505

2015-07-10

2015-11-13

吕丽华(1978—)，女，副教授，博士。研究方向为废弃纤维再生资源化利用技术。E-mail: lvlh1978@163.com

TQ 340.68

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