废弃纤维再资源化吸声材料的研究进展*

刘 燕 陶 园 王其才 陈长洁

1. 东华大学纺织学院，上海201620；2. 杭州职业技术学院达利女装学院，浙江 杭州310018；3. 浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)，浙江 杭州310018；4. 山东理工大学鲁泰纺织服装学院，山东 淄博 255000

我国是纤维生产和使用大国，纤维年消耗总量达千万吨[1]。纤维生产过程和日常生活中产生的各种纤维废料的数量惊人，资源浪费的同时也严重污染了环境。目前，处理废弃纤维的方法有燃烧法、填埋降解法和再生法3种。燃烧法会产生温室气体，甚至有毒气体，污染环境；填埋降解法对成本和技术的要求较高[2]。故废弃纤维的再利用成为当下的研究热点，受到国内外的广泛关注。

随着城市化、工业化的快速发展，噪声污染已成为仅次于空气和水污染的第三大污染[3]。噪声污染不仅影响人们的生活和健康，还会加速材料的老化，影响设备和仪器测量的精确性[4]。现有吸声材料主要为多孔吸声材料和共振吸声材料，多孔吸声材料又包括纤维吸声材料、泡沫吸声材料和颗粒吸声材料等。除有机纤维材料以外的传统吸声材料[5]的吸声效果总体较为理想，但存在低频范围吸声效果不佳[6]、制造过程需消耗大量能源、成本较高、释放温室气体、使用寿命短、废弃后不易降解及对环境造成二次污染等一系列不足之处。纺织纤维材料因具有多孔、轻质、阻尼等多种优良性能而被广泛用作吸声材料，其能有效控制噪声，从而为我们的生活提供一个良好的环境。传统建筑隔声类材料大多为复合材料，因此，利用废弃纤维来制造吸声降噪产品，不但能解决大量废弃纤维的回收再利用问题，减少资源浪费，降低生产成本，而且能缓解环境污染的问题，符合我国循环经济、低成本加工及可持续发展的战略要求。

废弃纤维主要来源于动物、植物和化纤三大类材料，但目前仍缺乏废弃纤维再资源化吸声材料概况的详细报道。本文将综述动物毛羽、纤维素纤维和合成纤维废弃物的研究进展。

1 动物毛羽废弃物

处理动物毛羽的传统方法主要为填埋降解或焚化炉焚烧。填埋降解会污染土壤，焚化炉焚烧会释放大量的温室气体。研究表明[7]，与特定厚度的天然吸声材料相比，以毛羽纤维为原料，采用气流成网法制备的非织造布在250～800 Hz低频范围内有更高的吸声系数。利用废弃羊毛或鸡毛不仅能制造吸声性能优异的产品，还能提高家禽企业的利润。

1.1 羊毛纤维复合材料

相关研究表明[8]，羊毛纤维基材料在使用和处置阶段消耗的能量比天然材料少。我国新疆、内蒙古、甘肃、西藏、青海五大畜牧区有丰富的羊毛资源[9]，但废弃羊毛纤维的数量仍不能满足吸声材料的生产需求，因此必须将废弃羊毛纤维与其他材料相结合，制备羊毛纤维吸声复合材料。

李长伟等[10]以废弃羊毛为增强材料，乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)为基体材料，通过热压法制备了废弃羊毛/EVA吸声复合材料，并采用传递函数法对其吸声性能进行了测试。结果表明，废弃羊毛/EVA吸声复合材料在低、中、高频都有优异的吸声性能，且吸声频带较宽，1 000 Hz处的吸声系数可达0. 9，降噪系数达0.65。废弃羊毛/EVA吸声复合材料的平均吸声系数为0.6，属于高效吸声材料。Patnaik等[11]将废羊毛纤维与再生聚酯纤维(RPET)按50/50的质量比混合，制成可用于建筑工业的隔热吸声产品, 即RPET/废羊毛双层毡。通过驻波比法测得，RPET/废羊毛双层毡在50～5 700 Hz频率范围内可吸收70%以上的入射噪声，吸声效果较为理想。此外，RPET纤维主要来源于塑料瓶废弃物，试验表明，经50 d的堆肥处理，RPET/废羊毛双层毡的生物降解率可达65%～70%。因此，该羊毛纤维复合材料的制备不仅能提供吸声产品，还能为废弃塑料瓶的回收利用提供一个解决思路。将废弃羊毛纤维用作吸声材料，安全环保且性能优异，适用于实际环境的应用。

1.2 鸡毛纤维复合材料

我国是畜牧业大国，每年的禽类羽毛产量约为百万吨。废弃的鸡毛因其角质蛋白不易被土壤中的微生物分解而无法用作有机肥直接使用[12]，故废弃鸡毛中的角质蛋白因利用价值低而被大量弃置于环境中，污染水、空气的同时还导致苍蝇、病毒的滋生，危害人类的健康。

从声学角度而言，角质蛋白因固有的微观多孔结构而具有良好的声学性能，所以将废弃鸡毛纤维用于吸声材料，能在一定程度上缓解环境污染的问题。有研究表明[13]，将鸡毛纤维与聚合物混合制备的刚性生物复合材料面板表现出有限的吸声性能，而将鸡毛纤维与聚合物加工为非织造布时，其吸声效果显著提高。

Marta等[13]将废弃鸡毛纤维与废弃羊毛混合生产吸声非织造布，其声学特性与岩棉相似，在2 200 Hz频率以下有良好的吸声性能。试验中，质量混合比为50/50的废弃鸡毛纤维/废弃羊毛非织造布在酸化、光化学氧化、人类毒性和非生物损耗等方面都表现出较好的环境适应性能，可作为目前多孔吸声材料的替代材料。Huda等[14]以鸡毛纤维和高密度聚乙烯/聚丙烯(HDPE/PP)纤维为主要原料制备出一种复合材料，发现当废弃鸡毛纤维质量分数在30%～40%时，该复合材料在1.5 kHz频率以下的吸声效果较好。

上述采用废弃羊毛纤维加工复合材料的工艺虽能耗少，但干燥、梳理和针刺等工艺流程会对环境产生一定的影响。废弃鸡毛纤维质量小，其可回收性和生物降解性与废弃羊毛复合吸声材料相当，但废弃鸡毛纤维的加工过程相对简便，对环境影响较低。总体来说，由于动物毛羽纤维数量较多，吸声能力强，相较于传统吸声材料而言，动物毛羽废弃纤维吸声材料具有更大的发展优势。

2 纤维素纤维废弃物

随着农业技术的不断发展，农业废弃物已呈现出日益增长的态势，农作物的收集、管理和再利用成为世界各国亟待解决的生态问题。相较于废弃动物毛羽，将部分植物废弃物作为饲料和肥料，不足以解决数量庞大的农业废弃物。因此，将纤维素纤维废弃物制成吸声材料，可解决噪声污染和资源浪费的问题，对提高废弃物的利用价值也有重要意义。

2.1 废弃麻纤维复合材料

麻纤维属于来源广泛、价格低廉、可降解的天然纤维。我国麻纤维的年产量十分巨大。研究表明[15]，50%～60%的麻纤维为废弃纤维，这无疑是一种资源浪费。麻纤维的单纤维中有细胞腔，其呈多孔结构,是一种良好的吸声材料。

Raj等[16]研究了以废弃黄麻纤维为基材，胶乳橡胶为黏合剂的毡型复合材料，通过传递函数法测得其降噪系数比传统吸声材料高，吸声系数达0.77。吕丽华[17]以废弃麻纤维为增强材料、废弃聚氨酯为基体材料，通过添加金属铁粉，以共混塑炼-热压法制备复合材料，再与丙纶毡复合制备出一种多层复合结构的吸声材料。试验结果表明，复合材料为4层时，在4 000～6 000 Hz的高频范围内，采用阻抗管测试系统测得其吸声系数接近于1.0，吸声效果十分理想。

2.2 其他纤维素纤维废弃物

除了将废弃麻纤维与其他材料复合制得高效吸声材料外，也可将其他纤维素类废弃物与其他材料复合制备吸声材料。此类研究较多，工艺较为成熟。

吕丽华等[18]以废弃花生壳为增强材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)粉末为基体材料，采用热压法制备了废弃花生壳/EVA吸声复合材料。在最优工艺下，废弃花生壳/EVA复合材料在低、中、高频率范围内具有优异的吸声性能，采用传递函数法测得这一复合材料的最大吸声系数达0.9，属于高效吸声材料。Martellotta等[19]研究了壳聚糖在橄榄树剪枝废弃物中的应用，其以生物基壳聚糖作为黏合剂，与橄榄修剪废料混合后获得吸声材料。通过传递函数法测得50 mm厚的该类样品，在1 kHz频率以上的吸声系数高达0.90，属于高效吸声材料。Putra等[20]利用废弃甘蔗纤维制造吸声材料，通过驻波比法测得在1.2～4.5 kHz频率范围内的平均吸声系数为0.65，可与传统的无机纤维制得的吸声材料相媲美。Chen等[21]以废弃丝瓜纤维和环保型聚酯纤维为原料，按照3∶2的质量比混合均匀后，采用洁净热压工艺制得丝瓜纤维吸声复合材料。采用传递函数法测得密度为0.09 g/cm3、厚度为4 cm、孔隙间距为2 cm的丝瓜纤维复合材料的平均吸声系数为0.65，是一种较为理想的吸声材料。Ersoy等[22]对茶叶加工过程中产生的工业废料的吸声特性进行了研究。数据表明，在茶叶纤维的背面加一层棉布，可以显著提高其吸声性能，如10 mm厚的茶叶纤维废料的吸声效果与6层纯棉机织布的吸声效果相当。在500～3 200 Hz的频率范围内，20 mm厚的茶树叶纤维吸声材料与聚酯和聚丙烯基非织造材料的吸声效果相当；而10 mm厚的茶树叶纤维吸声材料的吸声效果更佳。刘英杰等[23]以杨絮纤维为增强材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)为基体材料，通过采用热压成型工艺制备出一种杨絮纤维/EVA吸声复合材料，采用传递函数法测得该复合材料的最大吸声系数达0.65。这一研究不仅制备出了环保型吸声材料，还在一定程度上解决了杨絮危害人体健康和生态环境的问题。

目前，有关纤维素纤维废弃物在吸声材料方面的研究较多，工艺比较成熟，制得的新型材料在某些特定条件下，在中、低频范围内吸声性能良好，弥补了传统吸声材料的不足之处。

3 合成纤维废弃物

在我国经济飞速增长、工业生产不断发展的情况下，工业合成纤维废弃物的合理利用对环境保护及资源再生的意义和影响日趋突出。如由废弃涤纶和橡胶纤维制得的复合材料，其吸声性能比由传统无机纤维制得的吸声材料更为优异。

3.1 废弃涤纶

涤纶的年产量和使用量十分巨大，因此废弃涤纶的数量也十分庞大。涤纶因在自然环境下难以降解而给环境造成了很大的压力。从声学角度来看，涤纶属于多孔纤维材料，具有良好的吸声性能，因此将其用于制造吸声材料是解决废弃涤纶的有效方法。

于翔[24]以废弃涤纶为原料，将三层复合结构吸声材料和隔声复合材料组合，制备了废弃涤纶织物/氯化聚乙烯多层隔音复合材料。通过混响室法和阻抗管法测得其降噪系数为0.55，较为优异。吕丽华等[25]以废弃涤纶为增强材料，热塑性聚氨酯为基体材料，将其加工成穿孔板，与废弃涤纶织物贴合后制成3层吸声复合材料。经传递函数法测得该复合材料的穿孔率为1.6%，穿孔直径为15 mm，穿孔板板厚为2 mm，该复合材料在1 000 Hz频率下的吸声系数达0.74，结果较为理想。

3.2 废弃合成橡胶纤维

废弃合成橡胶具有稳定的化学结构，难以降解，但废弃合成橡胶纤维有优异的减震缓冲性能，可用作吸声材料。Maderuelo-Sanz等[26]利用来自轮胎(ELTs)的废料，对热处理后的残渣进行热压缩得到一种新型吸声材料。通过传递函数法测得，由这类废弃物制得的吸声材料在低频和高频下均具有良好的声学性能，可作为传统无机纤维吸声产品的替代材料。Thai等[27]利用轮胎废料中的橡胶纤维，通过冷冻干燥工艺，制备了一种橡胶气凝胶隔声材料。该新型材料的吸声系数可达0.56，吸声效率较高。晏雄等[28]以一种废弃橡胶纤维为基体，以七孔中空涤纶短纤SHPF为功能填充材料，制备了一种吸声且兼具阻尼减震的新型复合材料。阻波管测试表明，在1 500～2 000 Hz频率范围内，该复合材料的吸声性能随着废弃橡胶纤维质量分数的增加而提高。

利用合成纤维废弃物制备的新型吸声材料比由传统玻璃棉或其他矿物纤维制得的吸声材料更便宜、更环保，厚度小且性能好而具有良好的发展前景。相较动物毛羽废弃纤维和纤维素纤维废弃物而言，合成纤维废弃物在吸声材料方面的研究较少，还有待进一步的开发和应用。

4 结语

吸声材料是新材料领域的重要组成部分，其对高新技术的发展有重要的推动和支撑作用。纺织材料虽在吸声降噪领域应用广泛，但纺织吸声材料对中、低频段的噪声控制仍处于较低水平，在环保问题上存在诸多不足。将废弃纤维用作吸声材料，既可提高传统吸声材料的性能，又能缓解资源浪费和环保问题的严峻态势。因此，利用废弃纤维生产吸声材料是科技创新、可持续发展的必然选择。

目前，利用废弃纤维制造吸声材料的工艺并不是非常完善，如由废弃动物毛羽制得的吸声材料的化学稳定性较差；利用纤维素纤维废弃物制备新型复合材料所用的黏合剂大多含有合成元素，环保性较差；由合成纤维废弃物制备的吸声材料的防火防腐性能较差，应考虑与其他阻燃防潮型材料进行功能复合，进一步提高该产品的使用性能，使吸声材料向着更为创新、环保、多功能复合的方向不断迈进。