欒巧麗， 邱 華， 成 鋼， 葛明橋

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122;2. 江蘇科博世羊毛建材科技有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214208)

廢舊羊毛非織造布的制備及其吸聲性能

欒巧麗1， 邱 華1， 成 鋼2， 葛明橋1

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122;2. 江蘇科博世羊毛建材科技有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214208)

為研究廢舊羊毛材料的吸聲性能，利用非織造布的生產(chǎn)工藝，以廢舊羊毛為主要原料，制備一種新型羊毛非織造布。通過(guò)使用傳遞函數(shù)法和駐波管法，對(duì)羊毛非織造布的吸聲性能進(jìn)行了測(cè)試，分析了在聲波頻率為250～6 300 Hz范圍內(nèi)材料厚度、密度和空腔深度對(duì)其吸聲性能的影響。結(jié)果表明，羊毛非織造布吸聲性能優(yōu)異，對(duì)高頻的吸聲性能優(yōu)于對(duì)低頻；在中低聲波頻率，隨材料厚度、密度和空腔深度的增加，其吸聲性能越好。材料厚度和空腔深度是影響羊毛非織造材料吸聲性能的主要因素；通過(guò)增加空腔深度提升材料的吸聲性能，是較為經(jīng)濟(jì)合理的辦法。

羊毛非織造布； 吸聲性能； 厚度； 密度； 空腔深度

噪聲污染與大氣污染、水污染和固體廢舊物污染已成為當(dāng)今社會(huì)4大環(huán)境污染之一。噪聲嚴(yán)重干擾了大眾的正常學(xué)習(xí)、生活和工作。利用多孔吸聲材料對(duì)噪聲進(jìn)行吸收，是在建筑領(lǐng)域降低室內(nèi)噪聲所采取的主要措施。多孔吸聲材料的品種眾多，吸聲原理基本相同。主要通過(guò)聲波在材料中的傳播從而引起黏性流動(dòng)損失，材料分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起內(nèi)摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能散失，從而達(dá)到吸聲效果[1]。

玻璃棉、礦渣棉、巖棉、硅酸鋁棉等無(wú)機(jī)纖維狀多孔吸聲材料是最為常見(jiàn)的多孔吸聲材料。這類材料有良好的吸聲、絕熱、保溫性能，而且有防火、不燃燒、質(zhì)輕、表觀密度小等特點(diǎn)。但是這類材料也存在易折斷，易飛揚(yáng)，易產(chǎn)生固體廢舊物，不易降解等缺點(diǎn)，對(duì)人和環(huán)境會(huì)造成污染[2]。

羊毛非織造布以羊毛紡織工業(yè)的下腳料(粗羊毛)作為主要原料。這種不適宜用于紡紗的粗羊毛纖維，原料豐富、價(jià)格低廉。羊毛非織造布在生產(chǎn)過(guò)程不對(duì)環(huán)境造成污染；在使用過(guò)程中，羊毛非織造布不會(huì)釋放甲醛和其他有毒有害氣體，不會(huì)斷裂和粉化，與人體接觸不會(huì)引起皮膚瘙癢和過(guò)敏，具有很好的環(huán)保性和人體舒適性[3]，并且可以循環(huán)使用。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)羊毛非織造布吸聲性能的研究較少，許多數(shù)學(xué)者對(duì)其他材料的吸聲性能進(jìn)行了研究[4-6]。在廢舊纖維用于吸聲材料方面，Ersoy Sezgin等[7]對(duì)茶葉纖維廢料與機(jī)織布復(fù)合材料的吸聲性能進(jìn)行了分析，Yu Xiang等[8]研究了孔徑、空腔深度和孔隙率對(duì)廢舊聚酯纖維多層結(jié)構(gòu)材料吸聲性能的影響。羊毛非織造布在建筑降噪領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)間較短，近年來(lái)成鋼[9]和謝曉麗等[10]對(duì)其吸聲性能進(jìn)行了分析研究。本文以廢舊羊毛纖維為原料制備了多孔吸聲材料，重點(diǎn)研究其制備工藝以及厚度、密度和空腔深度對(duì)其吸聲性能的影響，以期對(duì)該類材料的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

1.1.1 原 料

粗羊毛由江蘇科博世羊毛建材科技有限公司提供，纖維長(zhǎng)度為50～150 mm，直徑為50～200 μm。通過(guò)CU-6纖維細(xì)度分析儀對(duì)粗羊毛的纖維形態(tài)進(jìn)行觀察，得到的圖像如圖1所示。

1.1.2 羊毛非織造布制備工藝

羊毛非織造布屬于非織造物，制備工藝與一般非織造布的工藝流程基本相同。先將雜質(zhì)過(guò)濾掉，然后開(kāi)松，使纖維包中已被壓緊的纖維塊通過(guò)一定的機(jī)械打擊和撕扯開(kāi)解成小塊的纖維束，而后與黃麻纖維、低熔點(diǎn)聚酯纖維(熔點(diǎn)為120～130 ℃)、抗菌劑、防蟲(chóng)蛀劑、阻燃劑進(jìn)行混合。充分混合后，進(jìn)一步對(duì)原料進(jìn)行開(kāi)松，然后梳理成網(wǎng)，將網(wǎng)體一層層鋪放，形成多層網(wǎng)體。為進(jìn)一步加強(qiáng)羊毛非織造布的阻燃性，在鋪網(wǎng)過(guò)程中相鄰2層網(wǎng)體的接觸面上噴灑阻燃劑和乳液黏結(jié)劑，使網(wǎng)體之間形成阻燃黏結(jié)層。最后進(jìn)行熱黏合加固(加固溫度為160 ℃)、壓平、縱切和橫切等工藝，制成羊毛非織造布。整個(gè)生產(chǎn)流程無(wú)高溫工藝，生產(chǎn)流程較短，能耗低。制得的羊毛吸聲材料如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料基本規(guī)格

制備的羊毛非織造布的基本規(guī)格見(jiàn)表1所示。

表1 羊毛非織造布的基本規(guī)格

1.2.2 測(cè)試系統(tǒng)

參照GB/T 18696. 2—2002《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第二部分：傳遞函數(shù)法》的方法，以及由北京聲望聲電技術(shù)有限公司提供的雙傳聲器阻抗管測(cè)試系統(tǒng)，此次吸聲特性測(cè)試測(cè)量聲學(xué)范圍在250～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)。

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)包括內(nèi)置揚(yáng)聲器的內(nèi)徑分別為100 mm和30 mm的2個(gè)鋁合金阻抗管SW422和SW477，2個(gè)分別在60～1 800 Hz和1 600～6 300 Hz范圍內(nèi)比較敏感的傳聲器MPA416，1個(gè)功率放大器PA50，1個(gè)頻率分析器MC3242，還有1個(gè)配備有軟件VA-Lab4的計(jì)算機(jī)。測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

1.2.3 吸聲系數(shù)的測(cè)定

測(cè)試前，對(duì)2個(gè)傳聲器進(jìn)行校驗(yàn)。每次測(cè)試時(shí)，將實(shí)驗(yàn)樣品放置于靠近后蓋板的一端并固定好，按標(biāo)準(zhǔn)布置方式安裝好2個(gè)傳聲器的位置，在軟件VA-Lab4上觸發(fā)實(shí)驗(yàn)。2個(gè)傳聲器的信號(hào)趨于穩(wěn)定時(shí)，停止測(cè)試，交換2個(gè)傳聲器的位置，再次觸發(fā)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)測(cè)試進(jìn)行完畢后，通道測(cè)試系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)給出每個(gè)頻率的吸聲系數(shù)，將1/3倍頻程頻率的吸聲系數(shù)導(dǎo)出，即可進(jìn)行下次實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 厚度對(duì)吸聲性能的影響

為了研究羊毛非織造布吸聲性能與厚度的關(guān)系，選擇3、5(2塊3號(hào)材料疊加)、6(3塊3號(hào)材料疊加)、7(4塊3號(hào)材料疊加)號(hào)材料作為測(cè)試樣品。在材料密度(239.5 kg/m3)和空腔深度(0 mm)相同的情況下，以厚度6、12、18和24 mm為變量分別進(jìn)行4組測(cè)試，得出不同頻率下的吸聲系數(shù)，如圖4所示。

從圖4中可以看出，當(dāng)材料厚度僅為12mm及以上時(shí)，超過(guò)630 Hz頻率的吸聲系數(shù)都在0.2以上，這表明羊毛非織造布在中低頻率即具有優(yōu)異的吸聲性能。再者，隨著頻率的增加，厚度為6 mm的羊毛非織造布在250～6 300 Hz的頻率范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)都不斷增加。這是由于，當(dāng)材料厚度不太大時(shí)，入射聲波的頻率越高，纖維被激活的程度越大。纖維間的空氣振動(dòng)加速了孔隙邊緣和空氣間的相互作用，形成了更大的黏性力。此后，聲能大量衰減并轉(zhuǎn)化成熱能，熱能在纖維孔隙間加快傳導(dǎo)。因此，材料在高頻區(qū)比低頻區(qū)具有更好的吸聲性能。而當(dāng)厚度超過(guò)6 mm時(shí)，吸聲系數(shù)在中低頻表現(xiàn)優(yōu)異，而在高頻區(qū)域則出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。這由于：當(dāng)材料較厚時(shí)，低頻聲波可以進(jìn)入材料深層被吸收，符合上述原理，因此吸聲系數(shù)在低頻隨頻率增大而增大；而高頻聲波大部分已經(jīng)在材料淺層被吸收，進(jìn)入材料深層的較少，因此吸聲系數(shù)在高頻隨頻率的增加發(fā)生波動(dòng)，不會(huì)繼續(xù)增大。

對(duì)4條曲線進(jìn)行縱向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，在低頻范圍內(nèi)的特定頻率上，吸聲系數(shù)隨厚度的增加而不斷增大，這是由于低頻聲波進(jìn)入到材料深層被吸收，在密度等其他條件一定的情況下，隨著厚度的增加，進(jìn)入孔隙的聲波經(jīng)過(guò)的孔隙通道也就越長(zhǎng)，受到曲折通道的阻擋次數(shù)越多，聲波在孔隙產(chǎn)生的能量損失也就越多，吸聲系數(shù)也會(huì)相應(yīng)地增大。而在高頻范圍內(nèi)的特定頻率上，當(dāng)材料厚度大于6 mm時(shí)，吸聲系數(shù)隨厚度增加的變化不大，這同樣是由于高頻聲波在材料淺層被吸收所致。

總的來(lái)說(shuō)，采用增加厚度的方法，可以提高在低頻范圍內(nèi)羊毛非織造布的吸聲系數(shù)，對(duì)高頻則影響甚微。當(dāng)材料對(duì)低頻的吸聲系數(shù)達(dá)到要求時(shí)，再增加厚度對(duì)提高材料的吸聲系數(shù)意義不大；材料太厚，也不利于室內(nèi)施工。

2.2 密度對(duì)吸聲性能的影響

為了研究羊毛非織造布吸聲性能與密度的關(guān)系，選擇1、2、3、4號(hào)材料作為測(cè)試樣品，在材料厚度(6 mm)和空腔深度(0 mm)相同的情況下，以199.5、217.6、239.5和257.5 kg/m3為變量分別進(jìn)行4組測(cè)試，得出不同頻率下的吸聲系數(shù)，如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著密度的增加，在低頻區(qū)域內(nèi)，羊毛非織造布的吸聲系數(shù)隨頻率增加發(fā)生波動(dòng)或略有上升；在高頻范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)隨頻率的增加有比較明顯的上升趨勢(shì)。這是因?yàn)榘殡S著較大的密度，使得材料內(nèi)部沒(méi)有多少孔隙，低頻聲波進(jìn)入其內(nèi)部十分困難，很大一部分在表面被反射，這導(dǎo)致了材料對(duì)低頻聲波的吸聲性能較差。而隨著密度的增大，材料的透氣性變差，流阻變大，因而高頻聲波衰減的越多，被吸收的程度越大。這使得材料密度變大，對(duì)高頻聲波的吸收性能變好。

由此可見(jiàn)，通過(guò)增加密度來(lái)提高材料對(duì)低頻聲波的吸聲系數(shù)效果不明顯。

2.3 空腔深度對(duì)吸聲性能的影響

為了研究羊毛非織造布吸聲性能與空腔深度的關(guān)系，選擇3號(hào)材料作為測(cè)試樣品，在其他規(guī)格相同的情況下，以0 mm空腔、6 mm空腔、12 mm空腔和18 mm空腔為變量分別做4組測(cè)試，得出不同頻率下的吸聲系數(shù)，如圖6所示。

從圖6可以看出，在特定空腔深度下，羊毛非織造布對(duì)低頻的吸聲系數(shù)隨頻率的增加而增大，而后出現(xiàn)峰值，而對(duì)高頻的吸聲系數(shù)則出現(xiàn)不同程度的下降。出現(xiàn)峰值和高頻下降的原因在于：當(dāng)材料背面(靠近后蓋板的一面)空腔深度等于1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，在其相應(yīng)頻率下可獲得最大的吸聲系數(shù)。因?yàn)榫嚯x后蓋板1/4波長(zhǎng)奇數(shù)倍是波峰處，聲壓為零，但空氣質(zhì)點(diǎn)有最大的振動(dòng)速度，材料所起的摩擦阻尼的損耗聲能也最大，使材料產(chǎn)生最大的吸聲效果，體現(xiàn)在圖中峰值處。離后蓋板1/2波長(zhǎng)處即半波長(zhǎng)的整數(shù)倍處，聲壓最大，此時(shí)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度為零，從而相應(yīng)頻率下材料的吸聲系數(shù)最小[11]，體現(xiàn)在圖中高頻吸聲性能降低。

對(duì)4條曲線進(jìn)行縱向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn)，在某一特定的頻率，增加空腔深度可顯著提高羊毛非織造布對(duì)中低頻的吸聲性能，這是由于空腔的存在，即使是聲波透射過(guò)材料，當(dāng)聲波觸碰到剛性后蓋板(現(xiàn)實(shí)情況下是墻面)時(shí)，在材料背面與蓋板之間發(fā)生反復(fù)反射，聲能也會(huì)發(fā)生損耗，即相當(dāng)于增加了材料的有效厚度，改善了其對(duì)低頻的吸收性能。而在高頻時(shí)，由于空腔深度增加，更加靠近吸聲的谷值，使得材料的吸聲性能有所降低。

經(jīng)過(guò)分析可知，通過(guò)增加空腔深度來(lái)提高羊毛非織造布對(duì)低頻的吸聲性能，比單靠增加材料的厚度更加經(jīng)濟(jì)、合理。根據(jù)上述原理，通過(guò)調(diào)整材料背面與墻壁之間的空腔深度，可以達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的吸聲性能。

3 結(jié) 論

作為一種新型的多孔吸聲材料，羊毛非織造布憑借其吸聲絕熱性好、裝飾效果佳、環(huán)保等優(yōu)良的特點(diǎn)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，受到人們的青睞，具有廣闊的市場(chǎng)前景。吸聲性能作為該材料最重要的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行研究對(duì)于材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用有一定的指導(dǎo)和參考意義。本文對(duì)羊毛非織造布的吸聲性能進(jìn)行了較為初步的研究，得出以下結(jié)論：

1)羊毛非織造布吸聲性能較好，對(duì)高頻的吸聲性能好于低頻。材料厚度在6 mm時(shí)，吸聲系數(shù)隨頻率變大不斷增加；厚度到達(dá)12 mm之后，先是對(duì)低頻吸聲系數(shù)增加，當(dāng)吸聲系數(shù)達(dá)到峰值后，頻率提高吸聲系數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)。隨著材料厚度的增加，材料對(duì)低頻的吸聲性能變好，對(duì)高頻的吸聲性能影響不大。

2)增加密度并不會(huì)顯著提高羊毛非織造布的吸聲性能，尤其對(duì)于低頻吸聲系數(shù)的提高無(wú)明顯效果。

3)增加空腔深度可有效增強(qiáng)羊毛非織造布對(duì)低頻聲波的吸聲效果，對(duì)高頻的吸聲效果則略有下降。通過(guò)增加空腔深度的方法提高材料的吸聲性能，是經(jīng)濟(jì)合理的辦法。

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Preparation and sound absorption properties of waste wool nonwoven material

LUAN Qiaoli1， QIU Hua1， CHENG Gang2， GE Mingqiao1

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China； 2.JiangsuKPSWoolTimberingScienceTechnologyCo.,Ltd.,Wuxi,Jiangsu214208,China)

In order to study the sound absorption properties of waste wool fiber, a kind of novel wool nonwoven material was prepared by a conventional non-woven technique with waste wool fibers as the main raw material. Using the transfer-function method and standing wave tube method, the sound absorption properties of wool nonwoven materials in a frequency range of 250-6 300 Hz were studied by changing the thickness, density, and cavity depth. Results indicated that wool nonwoven materials exhibit excellent sound absorption properties, which at high frequencies are better than those at low frequencies. At the sound waves of low frequencies, with the increase of thickness, density and cavity depth, sound absorption properties improve. The thickness and cavity depth are the main factors affecting the sound absorption properties of the material. Moreover, it is an economic and reasonable way to increase the sound absorption properties of the material by enhancing the cavity depth.

wool nonwoven material; sound absorption property; thickness; density; cavity depth

10.13475/j.fzxb.20150306005

2015-03-30

2016-03-25

教育部自主科研重點(diǎn)項(xiàng)目(JUSRP51301A)；江蘇省2015年度普通高校研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(SJZZ15_0148)

欒巧麗(1991—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)榉强椩煳暡牧?。邱華，通信作者，E-mail:qiuhua@jiangnan.edu.cn。

TS 176.5

A