涂層厚度對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物吸聲性能的影響

郭宗福 鐘智麗

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

涂層厚度對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物吸聲性能的影響

郭宗福 鐘智麗

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

主要討論了涂層厚度對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的彈性模量和平均吸聲系數(shù)的影響。本試驗(yàn)在CSW小樣織機(jī)上試織了玄武巖長(zhǎng)絲平紋織物，在Werner Mathis AG LTF97885涂層機(jī)上對(duì)試織織物進(jìn)行涂層，使用Instron3380型多功能試驗(yàn)儀和VA－Lab4 IMP-AT材料吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)試了振膜織物的彈性模量和吸聲系數(shù)，討論了涂層厚度對(duì)彈性模量和平均吸聲系數(shù)的影響，并使用MATLAB7.0數(shù)學(xué)處理軟件對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的平均吸聲系數(shù)和涂層厚度進(jìn)行一元二次回歸分析，得出最優(yōu)涂層厚度。結(jié)論:當(dāng)涂層厚度為0.10 mm左右時(shí)，玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的斷裂強(qiáng)力和彈性模量均優(yōu)良;當(dāng)涂層厚度為0.16 mm時(shí)，玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的平均吸聲系數(shù)最大。試驗(yàn)結(jié)果為玄武巖長(zhǎng)絲在聲學(xué)上的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)，應(yīng)該加大玄武巖長(zhǎng)絲用作振膜材料的開(kāi)發(fā)，擴(kuò)展玄武巖纖維及其織物的應(yīng)用領(lǐng)域。

玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物，涂層厚度，彈性模量，吸聲系數(shù)，振膜材料

優(yōu)良的振膜材料應(yīng)該具備以下三個(gè)條件:一是密度應(yīng)盡可能低，保證揚(yáng)聲器具有較高的靈敏度;二是振膜材料的剛性即彈性模量應(yīng)盡可能高，從而保證揚(yáng)聲器有較低的失真;三是具有較高的內(nèi)阻尼，以使揚(yáng)聲器的分割振動(dòng)減?。?］。紙盆振膜的缺點(diǎn)是其特性隨著環(huán)境的濕度而變化，紙吸濕以后它的密度會(huì)變大，剛性變差，發(fā)聲的特性也會(huì)受到影響。以聚丙烯材料為基體制作的塑料振膜在動(dòng)態(tài)、失真率、細(xì)節(jié)表現(xiàn)和發(fā)生效率上都有了不同程度的改善，比如Dynaudio和Infinity/Genesis都采用此類振膜，改善效果比較明顯［2］。金屬振膜彌補(bǔ)了紙盆振膜和塑料振膜剛性弱的特點(diǎn)，但是振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量不會(huì)被振膜材料本身吸收，會(huì)導(dǎo)致“金屬聲”的出現(xiàn)［3］。隨著芳綸、碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維的不斷開(kāi)發(fā)利用，許多優(yōu)質(zhì)的振膜得以研制成功，如浙江華樂(lè)電子有限公司生產(chǎn)的玻璃纖維振膜樣品。

玄武巖纖維是一種新型的礦物纖維，具有質(zhì)輕高強(qiáng)、使用溫度范圍大、優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性以及良好的隔音、吸音效果等特性［4］。此外，與芳綸、碳纖維等高性能纖維相比，玄武巖纖維具有生產(chǎn)成本低、環(huán)保無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。本文主要測(cè)試了玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的彈性模量和平均吸聲系數(shù)，討論了涂層厚度對(duì)彈性模量和平均吸聲系數(shù)的影響，為玄武巖纖維及其織物在聲學(xué)方面的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)，拓寬了玄武巖纖維的產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域。

1 材料與儀器

玄武巖長(zhǎng)絲(成都航天拓鑫實(shí)業(yè)有限公司)，規(guī)格為41 tex，細(xì)度為7 μm，密度為3 g/m2;以丙烯酸脂為原料制備的涂料 CSW-03型小樣織機(jī)，Werner Mathis AG LTF97885涂層機(jī)，Instron3380型多功能試驗(yàn)儀，VA-Lab4 IMP-AT材料吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)(北京聲望聲電技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā))。

2 玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的制備

在CSW-03型小樣織機(jī)上試織了玄武巖長(zhǎng)絲平紋織物，其規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 玄武巖長(zhǎng)絲平紋織物規(guī)格參數(shù)

本試驗(yàn)使用的涂料是丙烯酸酯為原料制備的。丙烯酸脂是良好的阻尼材料，具有較好的力學(xué)性能和較高的阻尼值(tanδ＞0.3)［5］，這些特性使其成為制備涂料的優(yōu)秀原料，它還能夠提高玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的內(nèi)阻尼和改善玄武巖纖維的散纖現(xiàn)象，增加玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的強(qiáng)度。本試驗(yàn)分別以0.05、0.10 和 0.30 mm 為涂層厚度對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲織物進(jìn)行涂層，涂層后的織物如圖1所示。

圖1 玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物

3 玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的性能測(cè)試

3.1 彈性模量的測(cè)試

本試驗(yàn)使用Instron3380型多功能試驗(yàn)儀測(cè)試振膜織物的彈性模量，結(jié)果如表2所示。

表2 涂層厚度對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物彈性模量的影響

3.2 吸聲系數(shù)的測(cè)試

不同頻率的聲波入射到同一材料中，材料的吸聲系數(shù)也不同，通常所說(shuō)的材料吸聲系數(shù)指的是對(duì)應(yīng)頻率的吸聲系數(shù)，或者用在倍頻程的中心頻率(包括 125、250、500、1 000、2 000 和4 000 Hz)下吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值即平均吸聲系數(shù)來(lái)描述材料的吸聲性能［6］。本試驗(yàn)采用該平均吸聲系數(shù)來(lái)衡量玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的吸聲性能，使用VA-Lab4 IMP-AT材料吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試試樣的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 涂層厚度與平均吸聲系數(shù)的關(guān)系曲線圖

3 結(jié)果與討論

3.1 涂層厚度對(duì)彈性模量的影響

從表2可以看出，涂層厚度越大，玄武巖長(zhǎng)絲織物的斷裂強(qiáng)力越大，斷裂伸長(zhǎng)率也逐漸減小。但是隨著涂層厚度增加，玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物彈性模量增大，當(dāng)涂層厚度為0.05 mm時(shí)，彈性模量達(dá)到最優(yōu);當(dāng)涂層厚度大于0.05時(shí)振膜的彈性模量隨著涂層厚度的增加而逐漸減小。當(dāng)涂層厚度為0.1 mm時(shí)，涂層厚度為織物厚度的1/2，此時(shí)的振膜織物既發(fā)揮出玄武巖長(zhǎng)絲織物的高彈性模量和高強(qiáng)力性能，也發(fā)揮出丙烯酸樹(shù)脂對(duì)振膜織物的耐磨性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)作用，所以振膜織物的載荷較大。而當(dāng)涂層厚度為0.30 mm時(shí)，涂層厚度大于織物厚度，此時(shí)的振膜織物在拉伸斷裂時(shí)，主要發(fā)揮的是丙烯酸樹(shù)脂膜的力學(xué)性能，并不能完全發(fā)揮玄武巖長(zhǎng)絲織物的功能，導(dǎo)致振膜織物斷裂強(qiáng)力減小和彈性模量下降。

3.2 涂層厚度對(duì)平均吸聲系數(shù)的影響

從圖2可以看出，隨著玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物涂層厚度的增加，平均吸聲系數(shù)(所測(cè)所有頻率聲波吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值)也越大。當(dāng)涂層厚度為0.10 mm左右時(shí)，平均吸聲系數(shù)達(dá)到最高點(diǎn);當(dāng)涂層厚度大于0.10 mm后，隨著涂層厚度的增加，平均吸聲系數(shù)有逐漸下降的趨勢(shì)，涂層厚度為0.30 mm的平均吸聲系數(shù)比涂層厚度0.10 mm時(shí)有明顯地下降。

為了得出涂層厚度和玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的平均吸聲系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，本文利用Matlab7.0數(shù)學(xué)處理軟件對(duì)平均吸聲系數(shù)和涂層厚度進(jìn)行一元二次回歸分析。首先建立涂層厚度與平均吸聲系數(shù)的關(guān)系式模型:

式中:x——涂層厚度，mm;

y——與x對(duì)應(yīng)的玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物平均吸聲系數(shù);

a1、a2、a3——關(guān)系式的三個(gè)未知參數(shù)。

然后打開(kāi)matlab7.0，在命令窗口輸入以下程序代碼［7］:

得到結(jié)果為:

即 a1=0.150 3;a2=0.479 2;a3=0.071 9，得到一元二次方程即涂層厚度對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物平均吸聲系數(shù)影響趨勢(shì)關(guān)系式為:

利用 MATLAB7.0數(shù)學(xué)處理軟件，繪制 y=0.150 3x－0.479 2x2+0.071 9 曲線圖，求得最優(yōu)的涂層厚度使得吸聲y最大。在Matlab7.0命令窗口輸入以下程序代碼:

運(yùn)行程序生成函數(shù)曲線圖如圖3所示。

通過(guò)圖3的模擬曲線圖可以看到，隨著涂層厚度x增加(x最小精確到0.01)，玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的平均吸聲系數(shù)逐漸增大;當(dāng)x=0.16 mm時(shí)，玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的平均吸聲系數(shù)達(dá)到最大值，即曲線圖的最高點(diǎn);當(dāng)x＞0.16 mm時(shí)，隨著x的增加，玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的平均吸聲系數(shù)逐漸減小。因此可以得出，當(dāng)涂層厚度為0.16 mm時(shí)，玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的平均吸聲系數(shù)最大，吸聲性能最優(yōu)。

圖3 涂層厚度對(duì)織物平均吸聲系數(shù)的影響趨勢(shì)曲線圖

4 結(jié)論

(1)當(dāng)涂層厚度為0.10 mm左右時(shí)，玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的斷裂強(qiáng)力和彈性模量均優(yōu)良。

(2)當(dāng)涂層厚度為0.16 mm時(shí)，玄武巖長(zhǎng)絲振膜織物的平均吸聲系數(shù)最大，吸聲性能最優(yōu)。

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The influence of coating thickness on the basalt filament diaphragm fabric’s absorption properties

Guo Zongfu，Zhong Zhili
(School of Textiles，Tianjin Polytechnics University)

This paper focused on a comparative study on influence of coating thickness on elastic modulus and average absorption coefficient.Basalt filament diaphragm fabrics were woven with CSW-03 sample loom，using the Werner Mathis AG LTF97885 coating machine to coat the fabrics，using 3380 Instronbased multi-function tester and VA-Lab4 IMP-AT Materials Testing respectively to test and analysis basalt filament diaphragm fabric’s elastic modulus and absorption coefficient.Matlab7.0 mathematical processing software was used to analysis the effect relationship between the coating thickness and the average absorption coefficient of basalt diaphragm filament，and to get the optimal relationship points between coating thickness and absorption coefficient.Conclusions:when the coating thickness was about 0.10 mm，the breaking strength and elastic modulus were both well;when the coating thickness was 0.16 mm，the average absorption coefficient was best.The results provided a scientific basis for the development of the basalt filament diaphragm and must promote the product development of basalt fiber，and increase the market competitiveness.

basalt filament diaphragm fabric，coating thickness，elastic modulus，absorption coefficient，diaphragm material

TS102.4

A

1004－7093(2011)10－0023－03

2011－04－23

郭宗福，男，1985年生，在讀碩士研究生。主要從事紡織新材料的研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。