经编间隔织物增强聚氨酯复合材料的制备及其吸声性能

陈　思，高晓平，龙海如

(1. 内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特 010080；2． 东华大学 纺织学院，上海 201620)



经编间隔织物增强聚氨酯复合材料的制备及其吸声性能

陈思1，高晓平1，龙海如2

(1. 内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特 010080；2． 东华大学 纺织学院，上海 201620)

摘要：将具有不同结构参数的经编间隔织物与聚氨酯泡沫材料复合，制备了7种经编间隔织物增强聚氨酯复合材料试样.利用驻波管对复合材料进行了吸声性能测试，探讨间隔丝垫纱方式、织物厚度和表面组织结构对复合材料声波吸收性能的影响.测试结果表明，复合材料具有优异的吸声特性，其吸声性能可以通过改变织物结构参数进行调整.

关键词：经编间隔织物； 聚氨酯泡沫； 吸声性能

随着现代工业的发展，噪声污染日趋严重，已经对人类身体健康和工作学习造成了巨大危害.噪声污染是继水污染、大气污染、固体废弃物污染之后的第四个环境污染问题[1].如何降低噪声污染的危害已成为科研人员的研究重点.目前普遍采用的方法是使用聚合物多孔材料对噪声进行吸收，这类多孔材料包括工业橡胶板、发泡硅胶板、发泡聚氨酯泡沫塑料等[2]. 这些材料在吸声方面各有特点，但在追求材料性能多元化方面就略显不足.例如,不能兼具优异的吸声和力学性能，且材料自身相对密度大、易水解或无阻燃性能等.近几年，大量的纺织材料因其多孔结构在吸声应用方面备受青睐，其中经编间隔织物的吸声性能尤为突出[3-4].通过对经编间隔织物吸声性能的研究可知，经编间隔织物的结构参数可以显著地影响其吸声性能，具体而言，织物厚度越大、表面层体积密度越大、孔隙率越小，织物的吸声性能越好，且织物的吸声能力随声频的增加而增加，属于中高频吸声材料[5].但与聚合物多孔材料类似，经编间隔织物在力学方面的性能并不令人满意.因此，本文旨在使用先进复合材料制备方法，将经编间隔织物与聚氨酯这两种多孔材料进行复合，开发一种兼具出色的声学及力学性能的复合材料[6-7]，并实现材料性能的最优化配置以及功能的多元化.

1多孔材料吸声理论

1.1多孔材料吸声机理

多孔材料因其疏松、柔软、多孔结构特性被广泛应用于吸声领域[8].当入射声波到达多孔材料表面层时，声波的振动引起多孔材料内部的孔隙中的空气运动，空气运动的本身就可以减弱高频声波强度，同时空气的运动进一步造成材料孔壁与空气以及孔壁之间的摩擦，声波能量在摩擦和黏滞力的作用下转变为热能散发掉，从而使声波强度衰减.由此可知，多孔材料中的孔隙和孔隙中的空气与周围环境进行热交换而引起的热能损失是多孔材料吸声的根本原因.

1.2吸声系数

吸声系数(α)是反映材料吸声性能的重要指标，其定义为材料吸收的声波能量与入射到材料上的总声波能量之比，计算公式[2]为

(1)

其中：Ei为入射声波能量；Ea为被材料吸收的声波能量；Er为被材料反射的声波能量；λ为反射系数.α取值一般为0～1，α值越大，表示材料的吸声性能越好.

2试样的制备与结构

2.1经编间隔织物的结构及参数

本文所选取的7种经编间隔织物具有不同织物结构参数，图1显示了经编间隔织物的正视图及右视图.间隔丝的类型及间隔织物的结构参数如表1和2所示.所选经编间隔织物均在E18型拉舍尔双针床经编机上编织.

(a) 正视图

(b) 右视图

类型直径/mm垫纱方式及穿经Ⅰ0.20GB3:1-03-2/3-21-0//1穿1空GB4:3-21-0/1-03-2//1空1穿Ⅱ0.20GB3:1-04-3/4-31-0//1穿1空GB4:4-31-0/1-04-3//1空1穿

表2　经编间隔织物原料与结构参数

注：原料中的A和B分别代表33.3 tex/96f 涤纶(PET)复丝和PET单丝.

2.2复合材料试样制备

本文所采用聚氨酯泡沫材料是一种聚氨酯泡沫的弹性体.该聚氨酯弹性体泡沫是由异氰酸酯和聚醚多元醇以质量比为43.9∶100在室温下反应发泡，且发泡均匀.其制备在一个模具中进行，在其制备过程中，模具上下表面的距离可以调整成与间隔织物厚度相同，以确保制备出的聚氨酯复合材料厚度与间隔织物厚度完全一致.聚氨酯泡沫反应浆料沿间隔织物的经向注入，制备的经编间隔织物增强聚氨酯复合材料制品一般在熟化脱模后24h可达到完全熟化稳定，可以对其进行下一步试验测试. 制备出的聚氨酯基复合材料如图2所示，其结构参数如表3所示.

(a) 示意图

(b) 实物图

表3　聚氨酯基复合材料结构参数

注：复合材料试样C1～C7由对应的间隔织物S1～S7制备得出.

3吸声性能测试及结果分析

3.1吸声系数测试

依据传播函数法对样本进行吸声系数的测量[9].测量仪器为北京声望公司生产的SW260型阻抗管，如图3所示.依据GB J88—1985在温度为(23±2)℃和相对湿度为(65±5)%的标准静音室中进行吸声系数测试.每个样品的测量值都取3次测量后的平均值.

图3　吸声系数测试装置Fig.3　Sound absorption coefficient measurement instrument

3.2测试结果分析

3.2.1间隔丝垫纱方式对吸声系数的影响

复合材料试样C1和C2的间隔丝垫纱方式分别为1-0 3-2/3-2 1-0 和1-0 4-3/4-3 1-0，由此可知，2种复合材料试样间隔丝的横移针距数分别为3和4.在一个垫纱循环中(间隔丝横移 3 和 4 个针距时)间隔丝排列的示意图如图4所示.图4中面AB′BA′ 代表织物的第一个横列，面CD′DC′ 代表织物的第二个横列，AC(A′C′) 面为织物的上表面，BD(B′D′) 面为织物的下表面，实线代表间隔梳栉GB3的运动轨迹，虚线代表间隔梳栉GB4的运动轨迹，图4中各点与垫纱数码的对应关系如表4所示.由图4可知，间隔丝横移针距数可以直接影响间隔丝倾斜程度.当间隔丝横移针距数越大，间隔丝轴向越接近水平；反之，间隔丝横移针距数越小，间隔丝轴向越接近垂直，且间隔丝横移针距数越小所形成的间隔丝长度越短.

(a) 1-0 3-2/3-2 1-0

(b) 1-0 4-3/4-3 1-0

Table 4The corresponding relation between lapping movements and dots

织物AA'BB'CC'DD'S11-03-23-21-03-21-01-03-2S21-04-34-31-04-31-01-04-3

2种间隔丝垫纱方式的复合材料试样的吸声系数测试结果如图5所示.

图5　不同间隔丝垫纱方式的复合材料吸声系数曲线Fig.5　The sound-absorption coefficient curves of the composites with different lapping movements of spacer yarns

由图5可知，试样的吸声系数随着间隔丝垫纱方式的变化而变化，且在不同的声波频率范围内，2种试样呈现出不同的声波吸收规律.当声波频率小于1 000 Hz时，间隔丝横移针距数较大的试样具有较高吸声系数；当声波频率为1 000～3 000 Hz时，情况发生了反转，间隔丝横移针距数较小的试样具有较高吸声系数；当声波频率大于3 000 Hz时，间隔丝横移针距数较大的试样再次拥有较高的吸声系数.从吸声系数峰值角度看，间隔丝横移针距数较大试样的吸声系数峰值较大，且吸声系数峰值所对应的声波频率高于间隔丝横移针距数小的试样.综上说明，间隔丝横移针距数较大的试样在声波频率较高的范围具有较好的吸声特性.

这可以从声波在试样内部传播的路径来解释上述现象. 当声波频率小于1 000 Hz时，声波波长较长，声波可以穿过试样表层到达材料底层，由于间隔丝横移针距数较大的试样的厚度略大于间隔丝横移针距数较小的试样，这就造成声波在间隔丝横移针距数较大的试样中传播路径较大，对声波的消耗较大；当声波频率大于1 000 Hz时，声波波长变短，声波穿过试样表层进入材料内部.众所周知，声波的散射、反射和折射路径都会因为试样内部间隔丝的不同排列方式而发生变化，进而造成了对声波的吸收能力也不相同.从图4可知，在单位面积内间隔丝横移针距数较小试样的内部所具有的间隔丝数量较多，且长度较长，这就导致声波在试样内部与间隔丝之间的接触摩擦面积较大，造成了对声波的消耗较大.随着声波频率的增大，波长继续变短，此时声波在试样中的传播情况与声波频率小于1 000 Hz时相似.

3.2.2厚度对吸声系数的影响

3种厚度的复合材料试样的吸声系数测试结果如图6所示.图6表明，试样的吸声系数随着试样厚度的增加而增加.此种现象与文献[1-2,5,8]的研究结果一致，即材料的厚度越大，其吸声性能越好.因此，可以通过提高材料厚度以增加声波在材料内部的摩擦消耗来达到减弱声波强度的目的.通过对比试样C1和C3的吸声系数可以发现，材料厚度的增加可以明显提高材料的吸声性能；而试样C1和C4的吸声系数非常接近.以上结果说明材料的厚度存在一个临界值，当材料厚度小于这个临界值时，材料的吸声系数会随着厚度的增加而明显增大；当材料厚度大于这个临界值时，材料吸声系数随厚度增加而增加的幅度变小，由此可知,临界厚度值可以当作选择吸声材料厚度的一个限制条件.

图6　不同厚度的复合材料吸声系数曲线Fig.6　The sound-absorption coefficient curves of the composites with different thickness

3.2.3表面组织结构对吸声系数的影响

间隔织物表面组织结构会对织物表面密度、间隔丝的排列以及端部的束缚情况造成影响.因此为了探讨表面组织对复合材料吸声性能的影响，选取了4种织物表面组织结构：编链+衬纬、菱形网孔、六角形网孔和经平绒，如图7所示.

4种表面组织结构试样的吸声系数测试结果如图8所示. 图8表明，不同表面组织的试样具有不同的声波吸收特性.具体而言，当声波频率小于3 000 Hz时，表面组织结构为密实组织的试样 (C1和C7) 具有较好的吸声性能，且随着表面组织密实程度的增加，试样的吸声能力也增加 (C7 >C1)；当声波频率大于3 000 Hz时，表面组织结构为开孔组织的试样 (C5和C6) 具有较高的吸声能力，且随着表面组织开孔程度的增加，试样的吸声能力变弱 (C5 >C6).

(a) 编链+衬纬

(b) 菱形网孔

(c) 六角形网孔

(d) 经平绒

图8　不同表面组织的复合材料吸声系数曲线Fig.8　The sound-absorption coefficient curves of the composites with different surface structures

出现上述现象的原因：不同的织物表面组织结构引起织物内部的结构发生变化，进而造成了声波与材料内部的摩擦程度也不同，故不同表面组织结构的试样具有不同的声波吸收特性.不同的表面组织结构也会导致试样表面层密度不同，当声波到达试样表面层时，与表层纤维之间的摩擦程度也不同，进一步造成了对声波吸收的差异.当声波频率小于1 000 Hz时，声波波长较长，声波到达试样底层，表面组织结构为密实组织的试样所具有的纤维体积分数较大，进而造成声波与纤维之间的摩擦也较大，对声波的消耗也较大.随着声波频率的增大，声波波长变短，声波穿过试样表层进入材料内部.对于表面组织结构为开孔组织的试样而言，其内部的间隔丝排列要比密实组织杂乱，这就导致声波在试样内部与间隔丝之间的接触摩擦机会增大，进而通过摩擦生热对声波消耗.

3.2.4复合材料、间隔织物及聚氨酯泡沫吸声系数的对比

为了探讨复合材料、间隔织物以及聚氨酯泡沫3者之间吸声性能的差异，选取了2种复合材料 (C1和C4) 、2种间隔织物 (S1和S4) 以及一种与试样C4具有相同厚度的聚氨酯泡沫板进行吸声性能测试，对比结果如图9所示.

图9　复合材料、间隔织物及聚氨酯泡沫吸声系数的对比Fig.9　Sound absorption coefficient for composites, spacer fabrics and polyurethane foam

图9表明：复合材料呈现出共振吸声材料的特性，即在特定的声波频率，材料的吸声系数达到最大值，而在其他声波频率范围内吸声系数均降低；间隔织物呈现出多孔吸声材料的特性，即材料的吸声性能随着声波频率的增大而增大.复合材料和间隔织物呈现出不同的吸声特性，这是由于材料内部结构的不同而导致对声波吸收机理的不同.聚氨酯泡沫板呈现出与复合材料相似的吸声特性，但其吸声能力低于复合材料.

通过图9还可知，复合材料具有优异的声波吸收特性，且其吸声性能优于间隔织物与聚氨酯泡沫吸声性能的叠加.出现上述现象的原因有以下几点：(1)复合材料增加了声波与材料之间的摩擦，从而消耗更多的声波能量；(2)由于复合材料内部结构松软、多孔，空气中声波的振动更容易穿过材料表面进入材料内部，因此复合材料可以更有效地将声波能量转变为机械能以消耗更多的声波能量；(3)在复合材料制备过程中，空气的混入使材料的内部出现一些空洞，这些空洞的存在增加了材料与声波之间的摩擦，进一步消耗了声波能量.

4结语

本文对经编间隔织物增强聚氨酯复合材料在100～6 300 Hz 的声波范围内的吸声性能进行了测试分析.结果显示，经编间隔织物增强聚氨酯复合材料具有优异的吸声特性，尤其是在声波频率小于3 000 Hz 的范围内.经编间隔织物的结构参数对复合材料的吸声性能有明显的影响，说明可以通过改变织物结构参数来调整复合材料的吸声性能以满足实际工程的使用需求.

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文章编号：1671-0444(2016)03-0332-06

收稿日期：2015-10-26

作者简介:国家自然科学基金资助项目(11462016) 陈思(1985—)，男，内蒙古包头人，讲师，博士，研究方向为针织结构复合材料. E-mail:ansn9119@126.com

中图分类号：TS 186.1

文献标志码：A

Preparation of Polyurethane-Based Composites Reinforced with Warp-Knitted Spacer Fabrics and Their Sound-Absorption Behaviors

CHENSi1,GAOXiao-ping1,LONGHai-ru2

(1. College of Light Industry and Textile, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080, China；2. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Seven kinds of polyurethane-based composite samples were prepared by impregnating the warp-knitted spacer fabrics varying structural parameters with flexible polyurethane foam. The sound-absorption test was carried out to investigate the influence of fabric structure parameters including the lapping movements of spacer yarns, thickness and surface structure on the sound-absorption behaviors by using an impedance tube. The test results show that the composites possess excellent sound-absorption behaviors and their properties can be adjusted by varying the fabric structural parameters.

Key words:warp-knitted spacer fabrics; polyurethane foam; sound-absorption behaviors