再生聚酯纤维吸声板材的结构与性能

1. 东华大学产业用纺织品工程教育中心，上海 201620；2. 江苏佰家丽新材料科技有限公司，江苏 苏州 215000

纤维类多孔材料用于吸声历史悠久。当声波入射至多孔材料时，声波会引起多孔材料内部间隙中空气的振动与摩擦，部分声能被转化为热能耗散，声能衰减，多孔材料显示出吸声效果。与刚性吸声体相比，纤维类多孔吸声材料质地轻薄、制备简单、可加工性好，而非织造材料又具有多孔、柔软、弹性大等性能特点，且加工成型方式多样、工艺流程短、生产效率高，用其制作的纤维类多孔吸声材料现已被广泛应用于汽车、建筑等领域[1]。

随着环境友好型、资源节约型社会的建设，各类产品生产要求尽量采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案。此外，人们还对生活领域用室内装饰等吸声材料提出了防水、防污、阻燃、隔热等功能性要求。目前，很多学者[2-7]利用不同的纤维原料及非织造工艺研究了环保型与功能型吸声材料，但它们多以天然纤维与化学纤维的混合料或多种化学纤维的混合料为原料。但天然纤维降解需要一定的时间，不同种类的化学纤维的分离也比较困难，因此这些纤维制成的吸声材料较难实现循环再生。

本文利用再生聚酯纤维与双组分低熔点聚酯纤维为原料，参照当前聚酯纤维吸声材料的非织造生产工艺[8]，制备再生聚酯纤维吸声板材，探究其结构、吸声等性能特点，再对其进行防污整理，以实现废弃材料的绿色循环再利用。

1 再生聚酯纤维吸声板材的制备

1.1 纤维原料

本试验制备的再生聚酯纤维吸声板材全部采用聚酯纤维为原料，其中再生聚酯纤维与双组分低熔点聚酯纤维的质量分数各占50%，纤维线密度皆为0.67 tex、长度皆为51.00 mm。

再生聚酯纤维由废旧PET瓶制备，其制备主要涉及清洁与纺丝两个过程[9]。清洁过程将废旧PET瓶分拣、粉碎、清洗得到净瓶片；纺丝过程将净瓶片进一步粉碎、造粒得到聚酯颗粒，然后加入色母粒纺丝，得到有色再生聚酯长丝，后经切断得到有色再生聚酯短纤维[10]。

双组分低熔点聚酯纤维为皮芯结构，其能在相对较低的温度下，皮层熔融起黏结作用而芯层不熔融起骨架支撑作用。

图1为两种纤维原料的差示扫描量热仪(DSC)测试结果。对于聚酯材料，当温度升高达到聚酯的玻璃化转变温度时，聚酯分子链还不能移动，但链段已开始运动；当温度继续升高达到聚酯熔点时，聚酯分子链运动并表现出黏流性质，此时熔融发生。从图1可以发现：再生聚酯纤维的熔点均在250 ℃左右；双组分低熔点聚酯纤维的皮层聚酯在138 ℃左右熔融，芯层聚酯在236 ℃左右熔融。

(a) 再生聚酯纤维

1.2 再生聚酯纤维吸声板材的制备工艺

再生聚酯纤维吸声板材的制备流程为纤维原料准备→纤维混合→梳理成网→交叉铺网→针刺加固→裁边→热风加固→冷却→分切，其中：

(1) 纤维原料准备→纤维混合。先按表1所示的质量配比称取不同颜色的再生聚酯纤维，以及双组分低熔点聚酯纤维，并分别投入不同的粗开松机，再经同一输送网帘混合后做进一步的开松。纤维原料混合的均匀性决定着成品颜色的均匀性及固结形态的稳定性。

(2) 梳理成网。混合开松好的纤维通过梳理机加工，由锡林将纤维梳理成平行伸直的单纤维状态，再由双道夫输送辊输出，形成双层薄纤网。梳理机输出的纤网面密度在56 g/m2左右。

(3) 交叉铺网→针刺加固。梳理机输出的纤网由夹持式输送网帘输送到双网夹持式交叉铺网机上进行平行式交叉铺网，通过控制铺网层数，形成交叉折叠的、不同厚度与宽度的多层纤网。斜置夹持式上网帘与输网帘共同挤压较厚的多层纤网，以降低纤网中的空气含量，同时蓬松度与厚度也略有降低。这样，纤网便可顺利经上下网帘进入针刺机。经针刺机针刺后，纤网的厚度显著降低并保持在该状态，有一定的硬挺度及较好的弹性回复性，但尺寸稳定性较差，断裂伸长较大，硬度与强度都难以达到板材的要求，因此需被送入烘箱热风烘燥，进行二次加固。

(4) 热风加固。烘箱温度设置为185 ℃，加热时间设定为5 min。此外，本试验为提高热风加固效率，采用了4个烘箱分区烘燥。

表1 再生聚酯纤维吸声板材的设计方案与工艺

2 再生聚酯纤维吸声板材的结构与性能

2.1 结构

针刺过程中，刺针向下运动，表层纤维在刺针的作用下发生移动，进入纤网内部，并与内部疏散的纤维交缠；刺针退出时，刺针上的纤维束因与纤网内部纤维紧密交缠而被锁定，难以返回到纤网表层。因此，针刺毡表面纤维杂乱排布并有明显的针刺痕迹(图2)，其纵截面内纤维垂直于板材平面分布，并有锥形针痕(图3)。

图2 针刺毡表面针刺痕迹

图3 针刺毡纵截面锥形针痕

热风加固过程中，热风作为热量的载体，穿透针刺毡并将热量传递给纤维。此时针刺毡中，双组分低熔点聚酯纤维的皮层发生熔融并流向邻近纤维，在纤维之间起黏合剂的作用；双组分低熔点聚酯纤维的芯层及再生聚酯纤维因温度未达到熔融温度，故作为骨架存在于材料中(图4)。

成型后的再生聚酯纤维吸声板材呈多孔结构，厚度均匀，表层致密，表面光洁。测试并计算孔隙率与密度发现，试验制备的4种再生聚酯纤维吸声板材的孔隙率为82.04%～84.81%，密度为209.60 ～ 247.84 kg/m3。又因厚度较大的材料无法利用泡点法表征孔径状况，故此处选择最薄的再生聚酯纤维吸声板材(1#)采用泡点法测量其孔径(图5)，发现：平均孔径为51.71 μm，最大孔径为149.96 μm，最小孔径为15.52 μm，孔径分布主要集中在20.00～60.00与75.00～100.00 μm。综上可见，试验制备的再生聚酯纤维吸声板材是一种多孔轻质材料。

(a) 纤维交叉排列处

(b) 纤维平行排列处

图5 泡点法表征1#板材的孔径分布

2.2 吸声性能

利用吸声系数表征再生聚酯纤维吸声板材的吸声性能。吸声系数定义为材料吸收的声能与入射到材料上的总声能之比，其值在0.00～1.00。吸声系数越大则材料的吸声性能越好[11]。工程上，一般将在特定频率(125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz)下平均吸声系数大于等于0.20的材料称为吸声材料，平均吸声系数大于0.56的材料称为高效吸声材料[12]。本试验选取制备的4种再生聚酯纤维吸声板材，利用传递函数法[13]，测试它们在特定频率下的吸声系数并计算平均吸声系数，再与厚度相近的常见吸声材料——麻纤维板和工业毛毡对比，测试结果见表2[14]和图6。结果显示：4种再生聚酯纤维吸声板材的平均吸声系数在0.30～0.43；密度相近的再生聚酯纤维吸声板材(1#和2#，3#和4#)，其平均吸声系数随材料厚度的增加而增大；与厚度相近的麻纤维板、工业毛毡相比，4#的密度更小，质量更轻，其平均吸声系数大于麻纤维板，与工业毛毡相近。

表2 4种再生聚酯纤维吸声板材与常见吸声材料的吸声系数

图6 特定频率下4种再生聚酯纤维吸声 板材的平均吸声系数

从图6还可以看出，试验制备的4种再生聚酯纤维吸声板材：在125～500 Hz时，吸声系数随频率的增加而波动很大，这可能与低频条件下测试吸声系数需更换驻波管的操作有关；在500～4 000 Hz时，吸声系数随频率的增加而显著增加，原因可能是在该频段内，声波频率增加，空气振动速度加快，空气与材料摩擦，声能转化成热能的效率增大，声波衰减量增加，故材料的吸声系数升高；大于4 000 Hz时，吸声系数较高并趋于稳定，原因可能是4 000 Hz附近时，声能转化成热能的效率达到最大，或出现了共振峰，之后频率继续增加，热转化效率难以提高，或共振现象消失，因此材料的吸声系数趋于稳定。

2.3 防污性能

吸声板材在使用过程中，如遇到倾洒的饮品、蚊虫尸体、笔墨等，都易造成沾污，影响美观，长期不清理还会滋生细菌，对健康造成隐患，因此对吸声板材进行防污整理有着重要的现实意义。防污性能一般涉及耐沾污性与易去污性两方面。耐沾污性是指减少污渍的沾附；易去污性是指已沾附的污渍可以轻松去除[15]。对制备的再生聚酯纤维吸声板材滴加有色液体后发现，液体会迅速铺展并留下污渍，因此本试验使用浙江传化公司生产的以含氟聚丙烯酸酯为主要成分的C6环保型氟系低温整理剂TG-5502(表3)，对再生聚酯纤维吸声板材进行表面处理，并对比处理前后的防污性能。结果发现：利用TG-5502对再生聚酯纤维吸声板材进行整理后，材料表面获得疏水性并难以润湿，其对液体污垢的吸附减少。

表3 TG-5502性能参数

防污整理后，再生聚酯纤维吸声板材表面因氟原子的存在而表面能变大，其防污性能如图7所示：

(a) 防污整理前

(b) 防污整理后

(1) 接触角由整理前的98.2°提升到137.0°；水滴从整理前的铺展在材料表面且有近乎一半渗入材料内部的状态，转变为整理后的呈水珠状立于材料表面且较少渗入材料内部的状态。

(2) 利用注射器将2 mL的水滴滴于材料表面，接着固定材料的一端，另一端匀速抬起形成倾斜角，并在水滴开始下移时停止抬起，此时利用量角器测量倾斜角度发现，水滴在材料表面发生移动的倾斜角从处理前的55.4°降低到处理后的19.0°，且水滴的移动方式由滑动变为滚动。这都意味着，液体污渍即便已与防污整理的再生聚酯纤维吸声板材表面接触，也难在其表面形成黏附。

(3) 以绝对黏度约为0.3 Pa·s 的酱油为例，将其滴于防污整理前后的再生聚酯纤维吸声板材表面，12 h后发现，未经防污整理的再生聚酯纤维吸声板材表面的酱油已被吸收，留下了难以去除的酱油污渍；将厚纸巾平覆在防污整理的再生聚酯纤维吸声板材的表面沾污处且不施加其他压力，10 s后厚纸巾便吸收了残留的酱油污渍且材料表面未留下任何酱油污渍。可见防污整理后的再生聚酯纤维吸声板材耐沾污、易去污。

3 再生聚酯纤维吸声板材的用途

再生聚酯纤维吸声板材是理想的吸声装饰材料，完全由聚酯纤维构成，能够实现材料的循环再生。纤维生产过程可实现材料颜色的控制，板材加工过程可实现表面花纹的调控，可赋予成品不同的风格，满足不同层次的美学需求。与其他纤维相比，聚酯纤维具有稳定性好、隔热、保温、防潮、防霉变等特点，易改性，可实现对材料功能的调控性，可通过后整理赋予再生聚酯纤维吸声板材更多的功能。因此，再生聚酯纤维吸声板材应用广泛，如KTV、办公室、酒店、影院、体育馆、会议室、家庭等，多将其用作墙面装饰、吊顶等(图8)。

图8 再生聚酯纤维吸声板材的应用

4 结论与展望

再生聚酯纤维吸声板材完全由聚酯纤维构成，不含胶黏剂等化学黏合剂成分，对人体健康与环境都没有负面影响，可实现回收利用，是理想的环保吸声材料。本文从原料、制备这两个方面介绍了再生聚酯纤维吸声板材的成型与制备过程，并对其结构与吸声性能进行测试与评定，还以防污整理为代表对其整理后的效果进行探究：

(1) 再生聚酯纤维吸声板材是一种多孔轻质材料，孔隙率为82.04%～84.81%，密度为209.60 ～ 247.84 kg/m3，孔径分布主要集中在20.00～60.00与75.00～100.00 μm。

(2) 再生聚酯纤维吸声板材的平均吸声系数为0.30～0.43，其在4 000 Hz及以上的高频段具有较好且稳定的吸声性能。

(3) 含氟整理剂可赋予再生聚酯纤维吸声板材优良的防污性能，防污整理后的材料接触角可增大到137.0°，水滴移动的倾斜角可下降到19.0°，材料耐沾污、易去污。

当前，我国聚酯行业发展迅速，再生聚酯纤维与原生聚酯纤维在品质上几乎无异，且聚酯纤维在改性方面的相关研究也逐步成熟[16]。通过色母粒的添加可实现再生聚酯纤维颜色的调控；通过控制不同颜色纤维的配比可赋予材料不同的风格，满足不同层次的美学需求；通过加入阻燃母粒可实现材料的防火、阻燃性能。相信随着聚酯行业的进一步发展，原生聚酯纤维的研究成果都可用于再生聚酯纤维。再生聚酯纤维吸声板材将具有更大的发展空间。