废弃羽毛的结构特征及其吸声性能

吕丽华， 刘英杰， 郭 静， 王 滢， 毕吉红， 叶 方

(大连工业大学 纺织与材料工程学院， 辽宁 大连 116034)

我国是世界上家禽养殖业发达国家之一，鸡、鸭、鹅等禽类的羽毛产量每年都在百万吨以上[1-2]。然而，大多数养殖场都直接将羽毛丢弃,这些废弃的羽毛不仅造成了浪费，污染环境，威胁人类健康，还暗藏着火灾隐患，所以如何将这些废料加以回收利用，制造高附加值的产品具有重要意义。

从目前的综合利用情况来看，羽毛纤维在动物饲料、角蛋白膜、医药农药、包装材料、化妆品和洗涤剂、吸声降噪器的仿生设计、废弃羽毛纤维增强复合材料等领域都有一定的应用价值[3-5]。羽毛最大的特点是其有独特的中空蓬松结构，国内外学者充分利用了其优势，对废弃羽毛用作吸声材料进行相关研究。Yang等[6-7]利用高密度聚乙烯为基体材料，鸡羽毛作为增强材料，重点研究材料的力学性能并简单测试了其吸声系数，为开发鸡羽毛吸声复合材料提供了新的思路。Kusno等[8]通过集总平均法(EA Method)，对比了普通吸声材料玻璃棉与鸡毛的吸声特性，探讨鸡毛作为声学材料替代品的可能性。于伟东等[9-10]对腈纶、羽绒散纤维集合体和非织造布的结构特征与其吸声性能之间的关系进行了研究,但研究结论没有给出羽绒具有优异吸声性能的根本原因。此外，其所用原料为羽绒，只占羽毛的20%，不利于废弃羽毛的综合利用。

总的来说，废弃羽毛作为动物饲料大规模开发利用价值不大；由于羽毛纤维较短，易起静电，可纺性差，将其纺制成纱在技术方面有一定限制。废弃羽毛具有中空蓬松的结构，毛羽相互交叉可形成大量相互贯通的孔隙，以废弃羽毛为原料制得的材料吸声性能优良，但目前对羽毛的细观结构没有详细探讨，有待建立羽毛细观结构和吸声系数的定量关系。本文以废弃羽毛为研究对象，分析了废弃羽毛的大分子结构、聚集态结构及其形态结构与其吸声性能的关系；研究了纤维集合体的吸声特性及其原因。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

废弃羽毛，家禽养殖场提供；大麻纤维，六安大麻纤维科技有限公司提供；木棉纤维，中大纺织有限公司提供；羊毛，山东临沂市罗庄区富迪毛纺厂提供；涤纶，秦皇岛市金纺化纤有限公司提供。

CYG-005C型多功能纤维投影仪，上海光学仪器六厂；Spectrum One-B型傅里叶变换红外光谱仪，美国PE公司；D/max-3B型X射线衍射仪，日本岛津公司；JSM-6460LV型扫描电子显微镜，日本电子株式会社(JEOL)；SW477/SW422阻抗管测试系统，北京声望声电技术有限公司提供。

1.2 废弃羽毛结构特征指标及测试方法

1.2.1 大分子结构测试

将废弃羽毛羽枝部分压片制得试样，采用傅里叶变换红外光谱仪测试其分子结构。

1.2.2 聚集态结构测试

将废弃羽毛的羽枝部分剪碎压实，采用X射线衍射仪测试其聚集态结构。废弃羽毛纤维结晶度采用下式进行计算。该公式是Segal提出计算相对结晶度的经验公式，即取2θ为9°和14°时的强度值来计算结晶度[11]。

式中：C为相对结晶度，%；I9为晶格衍射角在9°左右的极大强度；I14为 2θ角在峰谷为14°附近时的衍射峰强度。

1.2.3 形态结构测试

1.2.3.1羽枝长度测试 用剪刀将羽轴上的羽枝从根部剪下，采用手排法将其整理成纵向平行、伸直、一端齐平的纤维束进行长度测量，测试不同羽片上的羽枝纤维100根，得到羽枝纤维的长度范围。

1.2.3.2羽枝线密度测试 依据GB/T 10685—2007《羊毛纤维直径试验方法投影显微镜法》，在多功能纤维投影仪下测试羽枝的线密度，测试羽枝根数为400，结果取平均值。

1.2.3.3羽毛横向与纵向形态观察 采用扫描电子显微镜观察羽毛的横纵向相貌，测试前将废弃羽毛固定、喷金处理，分辨率为4 nm。

1.3 纤维集合体的参数计算及吸声测试

1.3.1 纤维集合体体积分数及体积密度计算

选用羊毛、大麻、涤纶、羽毛及木棉5种待测纤维，分别制备形成直径为10 cm，厚度为10 mm，体积为78.5 cm3的纤维集合体，纤维集合体质量为3 g，集合体体积密度均为38.22 kg/m3。为消除不同纤维具有不同密度的影响，采用下式计算纤维体积分数：

式中：m为纤维集合体质量，kg；ρ2为纤维的密度, kg/m3；V0为纤维集合体体积，m3。

纤维集合体体积密度的计算公式为

1.3.2 纤维集合体吸声性能测试

依据GB/T 18696.1—2004《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量》，使用阻抗管测试系统中的传递函数法测试不同类型的纤维集合体及不同体积密度的废弃羽毛集合体在80～6 300 Hz频率范围内的吸声系数。

2 结果与讨论

2.1 废弃羽毛的结构特征

2.1.1 大分子结构

废弃羽毛的外层是由固醇与三磷酸酯构成的双分子膜，约占羽毛质量的10%，里层是角蛋白质，约占羽毛质量的90%。固醇和三磷酸酯都是难溶于水的物质，因此，二者构成覆盖在羽毛表面的双分子膜使羽毛具有较好的防水性能[12]。为探究废弃羽毛化学结构与吸声性能的关系，利用傅里叶变换红外光谱仪测试废弃羽毛的红外光谱图，如图1所示。可知，波长为3 274 cm-1处产生的强吸收峰为—OH和—NH伸缩振动吸收峰，1 625 cm-1处的吸收峰为角蛋白分子中—CO—NH—伸缩振动谱带，1 520 cm-1处吸收峰主要为—N—H—弯曲振动峰，1 444 cm-1处吸收峰主要是羽毛角蛋白大分子中CH3CH2的—C—H—弯曲振动峰，1 230 cm-1处吸收峰为—C—N—伸缩振动峰，在波长640 cm-1附近有特征峰，说明含有—C—S基集合体，因此，印证了废弃羽毛纤维是由大量的肽链组成的蛋白质类天然高分子化合物。

研究表明，鸟类的角蛋白二级结构主要是β-角蛋白[13]，其空间构象是β折叠，空间构象如图2所示。β折叠中，每条多肽链具有不规则的中心螺旋结构，多肽链间以氢键、二硫键和其他交联作用结合并相互缠绕形成绳索状结构，从而形成了大量的空洞和缝隙，因此，当声能入射到分子链时，无数条肽链间的缝隙和孔洞使声能的传播路径更加曲折迂回，经过往返的传播从而使声能耗散。氢键具有很强的键合力，而肽链在这种束缚力的作用下，不能自由移动。当声能作用于分子链段时，分子链主链震动后带动肽链间的羟基运动，在恰当的条件下，羟基会随着主链作往复运动，引起羟基之间氢键往复交替的变化，因此，肽链之间的氢键为分子链段的运动提供了更多的内摩擦，将声能转化为热能或其他形式的能量，最终达到降噪效果。

角蛋白分子大量的肽链中含有无数肽平面，如图3所示。C、H、O、N共6个原子的空间位置在肽平面上共面，且相邻2个氨基酸上的侧链R构成刚性反式构型，使肽键不能自由旋转，因此，从纤维大分子结构的角度来看，每个分子链上的无数个肽平面内旋困难。当声能作用于纤维分子链时，大分子链段的内部结构产生振动，在振动过程中由于肽键刚性平面的存在，要不断克服外界阻力做功，从而将声能转化为机械能消耗掉。

2.1.2 聚集态结构

为进一步探究废弃羽毛大分子的结晶程度与吸声性能的关系，测得废弃羽毛的X射线衍射图谱如图4所示。可以看出，在2θ为9.48°和20.02°处出现典型的角蛋白衍射峰，经计算废弃羽毛的结晶度为42.9%，而羊毛、亚麻纤维、棉纤维的结晶度分别为81.2%[16]、70%[17]、70%[18]，因此，废弃羽毛结晶度比其他天然纤维低很多，在废弃羽毛纤维分子排列结构中，排列规整、紧凑，缝隙孔洞所占比例小的结晶区比分子链排列杂乱无序，结构疏松、空洞和缝隙所占比例大的结晶区小。声波在纤维分子结构上的传播是通过分子主链轴向、分子链上的原子振动及键的形变完成的[19]，当聚合物的结晶度低时，分子间距离较大，分子链排列相对疏松，孔隙率高，因此，分子间的相互作用弱，分子链较易运动，对声波的消耗作用更强。

2.1.3 形态结构

废弃羽毛结构如图5所示。可以看出：正羽由羽轴和羽片两部分构成，其中羽轴由羽根和羽干构成。羽根是位于羽轴下端没有羽枝的部分，与羽干相比较粗，且呈透亮的管状形态；羽轴上部扁平且逐渐变薄的细长管状称为羽干，羽干的双侧平行分布着很多整齐的羽枝。绒羽是密生在正羽下侧且结构上与正羽有明显区别的部分；绒羽的羽枝细长呈丝状，羽干细且密，羽枝呈放射状从羽轴根部生出。毛羽羽轴较硬，仅在羽轴尖端有少量羽枝[20]。

2.1.3.1羽枝长度 根据禽类身体部分生长情况的不同，羽毛的羽枝长度变化较大，范围一般在9～60 mm之间，平均长度为27 mm，比其他天然纤维短很多，因此，限制了废弃羽毛在纺纱领域的应用。

2.1.3.2线密度 图6示出纤维细度投影仪下观察到的废弃羽毛羽枝部分。可以看出，废弃羽毛羽枝从根部开始，逐渐从带状扁平过渡到圆柱状，因此，其线密度变化范围较大，一般在5～25 μm之间。

2.1.3.3羽毛横、纵向形态 图7为废弃羽毛形态结构的扫描电镜照片。由图7(a)可以看出，废弃羽毛在扫描电镜下呈现出层次分明的树枝状结构，每根羽轴两侧上生长着近乎平行排列的羽枝，羽枝间不易交叉，沿羽轴呈10°～40°排列。由图7(b)可以看出，每根羽枝上生长着一根根微细纤长的羽小枝，其直径一般从羽枝根部到梢部逐渐变细，并且截面形状也发生了改变，即从扁平带状过渡为圆柱状。由图7(c)可知，在羽小枝的两侧布满了粗细不匀的绒小枝。由图7(d)可知，在绒小枝上会出现许多形态不规则骨节点，且骨节点产生与否及形态取决于羽毛的发育状况、绒小枝在羽小枝，以及羽小枝在羽枝上的分布位置等。即废弃羽毛纤维表面并不是光滑的，在纵向有凹凸不平的沟槽，且纹路不规则。在次一级的绒小枝上，表面出现了大小不一的沟痕，且排列规整。扫描电镜照片的微观观测证实了废弃羽毛本身的表面粗糙度较高，表面存在一定间隔的骨节，使声波与纤维的接触面积增大，从而增加声能的耗散[21]。

废弃羽枝纤维的横纵向示意图如图8所示。从图8(a)中能够看出羽毛羽枝截面呈不规则皮芯结构，排列整齐，部分芯层可形成空腔。羽毛羽轴有很多孔洞，利于吸声；由图8(b)可知，显微镜下可清晰看到废弃羽毛羽轴的泡状空腔，这种独特结构赋予羽毛轻质及良好的吸声性能。当声波作用于废弃羽毛纤维时，声波会引起空腔内空气柱震动，导致空气与腔壁摩擦，将声能转化为热能，从而消耗声能[22]。

2.2 纤维集合体吸声性能分析

2.2.1 纤维集合体种类对吸声系数的影响

图9示出不同类型纤维的吸声系数曲线图，表1示出5种待测纤维的相关参数。

表1 待测纤维的相关参数
Tab.1 Related parameters of fibers to be measured

纤维种类纤维密度/(g·cm-3)纤维体积分数/%羊毛1.322895大麻1.52547涤纶1.382769羽毛1.143352木棉0.2913178

从图9可以看出，废弃羽毛与其他纤维集合体的吸声系数差距较明显。在5种纤维中，由于木棉纤维的中空度为80%～90%，密度最小，因此，木棉纤维的体积分数最高。对于废弃羽毛来说，其自身具有众多分叉毛羽，与其他纤维相比，单根羽毛上具有的纤维数量较多，等质量下纤维根数也越多，因此，废弃羽毛集合体的吸声性能优于其他纤维集合体。另外，介于羽毛与木棉纤维独特的中空结构，在相同体积下，管内纤维无序排列会形成孔隙率高的纤维集合体，当声波入射到纤维集合体中，纤维间形成的孔隙中存在的空气会相应振动，由于黏滞阻力，将空气的动能转化为热能，从而声能达到耗散。纤维集合体的孔隙率越高，声波穿过孔隙内的路径曲折度高，孔隙通道更繁杂，声波穿过孔隙耗能增加，因此废弃羽毛与木棉纤维集合体的吸声性能远高于其他纤维。

羊毛的体积分数大于涤纶、大麻纤维，即单位体积内羊毛的根数多于涤纶、大麻纤维的。另外，羊毛表面呈现鳞片状卷曲结构使得纤维集合体的内部孔隙迂曲度增加，纤维间的摩擦作用增强，大大提高了纤维及空气与声波的作用面积，使更多的声能转化为其他能量而耗散。涤纶的表面与大麻纤维相比更加光滑，因此，纤维集合体吸声性能的排序为废弃羽毛>木棉纤维>羊毛>大麻纤维>涤纶。

2.2.2 废弃羽毛集合体体积密度对吸声性能影响

已知实验声阻抗测试管的体积为78.5 cm3(管深为10 mm，直径为10 cm)，纤维集合体的质量分别为1、2、3、4 g，对应的纤维集合体的体积密度分别为12.74、25.48、38.22和50.96 kg/m3，计算得到对应的纤维集合体的平均吸声系数分别为0.171 6、0.243 3、0.316 7和0.441 6。

废弃羽毛集合体体积密度对其吸声系数曲线的影响如图10所示。

由图10可知，对于废弃羽毛集合体，在一定范围内，其吸声性能随着纤维集合体积密度的增加而增大，最大吸声系数向低频方向移动。原因是纤维集合体体积密度增大时，纤维间相互缠结的更紧密，致使纤维集合体的孔隙率增大，孔洞内空气与纤维间相互摩擦，导致声波能量消耗增加，所以吸声性能较好。由于低频声波的波长较长，在纤维集合体体积密度较小时，会比较容易绕过材料，从而被吸收的声能较少，低频吸声系数较低。反之，当增大纤维集合体的体积密度会导致最大吸声系数向低频方向移动。

为更直观地表示废弃羽毛集合体体积密度与吸声性能间的关系，对二者进行线性拟合得到：

Y=0.006X+0.074

式中：Y为平均吸声系数；X为废弃羽毛纤维集合体密度，kg/m3；

拟合得到公式的相关系数为0.989，表明废弃羽毛集合体的密度与平均吸声系数相关度较高，且平均吸声系数随着纤维集合体体积密度的增大而增大。原因是随着纤维集合体体积密度增加，单位体积内纤维根数增加，因而纤维间的缝隙孔洞减少，纤维间相互接触的机会增加，且纤维接触点的间距减小，因此，吸声性能提高。

3 结 论

1)对废弃羽毛大分子结构、聚集态结构及形态结构进行了研究，结果表明废弃羽毛的特殊结构使其具有优良的吸声性能。

2)分析了纤维集合体类型、废弃羽毛集合体体积密度对其吸声性能的影响。结果表明，所测纤维集合体吸声性能排序为：废弃羽毛集合体>木棉纤维集合体>羊毛集合体>大麻纤维集合体>涤纶集合体。废弃羽毛集合体积密度对吸声性能影响结果为：在整个测试频率范围内吸声性能随纤维集合体密度的增加而提高，且纤维集合体最大吸声系数对应的吸声频率随纤维集合体密度的增加逐渐降低。