活性碳纖維材料吸聲性能影響因素分析*

沈 岳 季 濤 高 強 劉其霞

(1.南通大學(xué)杏林學(xué)院，南通，226019;2.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019)

隨著我國工業(yè)、運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，噪聲污染是繼空氣和水污染之后的又一環(huán)境污染，成為世界環(huán)境三大污染之一，嚴(yán)重危害了人們的身體健康，開發(fā)質(zhì)輕、面薄、價低、環(huán)保安全的吸聲材料顯得尤為重要［1-2］?；钚蕴祭w維材料比表面積大，內(nèi)部的大量微孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各微孔之間相互貫通?；钚蕴祭w維材料還具有導(dǎo)電、耐高溫、耐腐蝕、環(huán)境協(xié)調(diào)性優(yōu)良、環(huán)境污染小、再生能力強、使用損耗小和密度小等優(yōu)良的性能［3］，是一種高性能的多孔纖維吸聲材料［4-5］，對改善環(huán)境噪聲問題起著舉足輕重的作用。隨著人們環(huán)保意識的增強，環(huán)保、輕質(zhì)、防火、防腐蝕的吸聲材料在室內(nèi)裝飾、汽車內(nèi)飾、道路屏障和房屋墻體等方面越來越受到青睞，具有廣闊的市場前景。因此，對活性碳纖維材料吸聲性能進行研究具有重要意義。

目前國內(nèi)外很多專家主要從影響纖維材料吸聲性能的因素和纖維材料吸聲理論模型兩個方面對纖維材料吸聲性能展開廣泛研究。影響纖維材料吸聲性能的因素包括纖維微觀結(jié)構(gòu)、材料宏觀結(jié)構(gòu)、材料背后空氣層的設(shè)置和工藝條件等［6-9］。對吸聲性能有影響的纖維微觀結(jié)構(gòu)包括纖維直徑和纖維截面，材料宏觀結(jié)構(gòu)包括材料厚度、孔隙率、密度、孔洞特征和平均孔隙直徑等。材料背后設(shè)置的空腔以及不同的工藝條件對吸聲性能也有很大的影響。多孔纖維材料吸聲理論模型研究主要集中在三大類：經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⑽⒂^結(jié)構(gòu)模型和唯象模型。在各種經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭?，Delany和Bazley模型［10］最典型，在微觀結(jié)構(gòu)模型中的 Johnson-Allard JF模型［11-12］得到了廣泛應(yīng)用，Morse［13］根據(jù)聲學(xué)運動和連續(xù)方程建立了多孔纖維材料吸聲模型是唯象模型的基礎(chǔ)。

在上述研究中，對活性碳纖維吸聲性能的研究很少。曾有人對活性碳纖維的吸聲性能進行了研究［14-15］，但沒有涉及到不同因素對活性碳纖維材料吸聲性能的影響程度。

為了達到既具有優(yōu)良吸聲性能又能節(jié)省材料的目的，需充分掌握不同因素對活性碳纖維材料吸聲性能的影響。本文選擇各種不同規(guī)格活性碳纖維氈，分析厚度、密度和纖維直徑等因素與活性碳纖維材料吸聲性能的關(guān)系，為活性碳纖維吸聲材料設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 材料

選擇7種黏膠基活性碳纖維氈，規(guī)格見表1。

表1 活性碳纖維氈基本規(guī)格

1.2 吸聲性能測試

試樣吸聲性能測試按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10534—2：1998中傳遞函數(shù)法進行。采用北京聲望技術(shù)公司提供的二通道測試系統(tǒng)，聲波測量頻率在250～6 300 Hz范圍內(nèi)，測定活性碳纖維氈法向入射吸聲系數(shù)。該測試系統(tǒng)包括內(nèi)置揚聲器的SW422和SW477型鋁合金阻抗管2個，阻抗管內(nèi)徑可為100 mm(SW422)和30 mm(SW477)，聲波測量頻率范圍分別為60～1 800 Hz(SW422)和1 600～6 300 Hz(SW477)。每個阻抗管分別帶有l(wèi)MPA416型6.35 mm傳聲器2支，PA50型功放1個，MC3622型數(shù)據(jù)采集器1個，帶有軟件VA-Lab4的計算機1臺。測試系統(tǒng)示意見圖1。將活性碳纖維氈分別切割成直徑為100和30 mm的圓形試樣，兩種不同尺寸的各試樣分別放在SW422和SW477型阻抗管中，均測試5次，通過軟件VALab4計算各頻率吸聲系數(shù)的平均值。

圖1 吸聲性能測試裝置示意

2 不同因素對吸聲性能的影響

2.1 厚度

選用同種規(guī)格的不同層數(shù)的活性碳纖維氈，構(gòu)成不同厚度的活性碳纖維氈試樣。圖2為厚度分別為4.5、9、13.5 和18 mm 的4 種活性碳纖維氈的平均吸聲系數(shù)。試樣纖維直徑為8.7 μm，體積密度約為52.8 kg/m3。從圖2可以看出，4種不同厚度的活性碳纖維氈平均吸聲系數(shù)均大于0.2，具有優(yōu)異的吸聲性能。這是因為活性碳纖維材料具有比表面積大，微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達且相互貫通，顯示出更優(yōu)異的聲學(xué)性能。從圖2還可以看出，在250～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)，隨著厚度的增加，活性碳纖維氈平均吸聲系數(shù)增加。這一方面是因為隨著厚度的增加，使活性碳纖維氈的聲容增加，材料損耗聲能的能力提高，導(dǎo)致活性碳纖維氈吸聲能力提高;另一方面是隨著活性碳纖維材料厚度的增加，聲波在纖維內(nèi)部傳播的路徑變長，增加了與纖維接觸的概率，使聲能損耗增加，提高了活性碳纖維材料吸聲系數(shù)［16］。從圖2再可以看出，隨著厚度的增加，活性碳纖維氈吸聲性能提高的幅度減小。這可能是因為隨著厚度增加，活性碳纖維氈在高頻會出現(xiàn)吸聲峰和吸聲谷，導(dǎo)致吸聲性能有所起伏;活性碳纖維氈后表面的反射影響到前表面對聲波的二次吸收，隨著厚度的增加，聲波在材料內(nèi)衰減增加，對前表面的二次吸收相對減小，導(dǎo)致對高頻聲波吸聲性能下降。因此，只采用增加活性碳纖維材料厚度的方法既浪費材料，又達不到提高高頻吸聲系數(shù)的目的。

圖2 不同厚度活性碳纖維氈的平均吸聲系數(shù)

2.2 密度

圖3是纖維直徑約為8.6 μm，體積密度分別為 52.8、70.6、91.5 和 111.9 kg/m3的兩層厚度的活性碳纖維氈平均吸聲系數(shù)。從圖3可以看出，活性碳纖維氈在250～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)，在活性碳纖維氈纖維直徑和厚度不變時，隨著體積密度的增加，活性碳纖維氈平均吸聲系數(shù)增加。這是因為在厚度不變的情況下，隨著體積密度增加，內(nèi)部孔隙變小，聲波在活性碳纖維材料中的流阻增大，使聲波接觸材料內(nèi)部孔壁的機會增多，材料內(nèi)的聲速變慢，導(dǎo)致聲波反射增多，使大量的聲能通過與孔壁的不斷摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能，提高了活性碳纖維材料吸聲性能［17］。但體積密度過大，材料表面越來越密實，材料內(nèi)部基本沒有孔隙，聲波很難進入材料內(nèi)部，聲波大部分都被反射回去，也會導(dǎo)致活性碳纖維材料吸聲性能下降。因此，對于一定厚度的活性碳纖維材料，有一個相應(yīng)合理的體積密度，過大或過小都無法使材料有良好的吸聲性能。

圖3 不同密度的活性碳纖維氈平均吸聲系數(shù)

2.3 纖維直徑

圖4 不同纖維直徑的活性碳纖維氈平均吸聲系數(shù)

圖4是體積密度約為52.7 kg/m3，纖維直徑分別為 5.8、8.7、10.9 和 12.8 μm 的三層厚度試樣的平均吸聲系數(shù)。從圖4可以看出，在250～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)，在活性碳纖維氈厚度和體積密度不變時，減小纖維直徑，可以顯著提高活性碳纖維氈吸聲性能。這是因為隨著纖維變細，活性碳纖維材料的孔隙和界面增加，纖維的表面積越大，聲波在活性碳纖維材料傳播過程中與孔壁的接觸機會增加，容易使聲能與纖維產(chǎn)生更多的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉，導(dǎo)致吸聲性能明顯提高［18］。

3 活性碳纖維吸聲性能關(guān)聯(lián)度分析

為了分析厚度、密度和纖維直徑對活性碳纖維氈吸聲性能的影響程度，采用鄧氏灰色關(guān)聯(lián)度方法［19］，對活性碳纖維氈不同因素與平均吸聲系數(shù)進行關(guān)聯(lián)度分析，找出吸聲性能對活性碳纖維氈三個因素的依賴程度排序。

3.1 灰關(guān)聯(lián)模型

3.1.1 數(shù)據(jù)處理

各數(shù)據(jù)之間量綱不同，為防止對關(guān)聯(lián)度產(chǎn)生影響，對原始數(shù)據(jù)進行均值化處理，使之無量綱化：

i=1，2，…，n k=0，1，2，…，N

式中：xi(k)——第i塊活性碳纖維氈的第k個影響因素值(k≠0);

xi'(k)——第i塊活性碳纖維氈的第k個影響因素值變換后的新值(k≠0);

n——活性碳纖維氈的數(shù)量;

N——活性碳纖維氈吸聲性能影響因素的個數(shù)。

3.1.2 絕對差 Δ(i)

第i塊活性碳纖維氈的平均吸聲系數(shù)新值xi'(0)與各個影響因素新值xi'(k)的絕對差Δ(i)：

式中：xi(0)——第i塊活性碳纖維氈的平均吸聲系數(shù)值;

xi'(0)——第i塊活性碳纖維氈的平均吸聲系數(shù)值變換后的新值。

3.1.3 關(guān)聯(lián)系數(shù) εk(i)［20］

式中：ρ——分辨系數(shù)，ρ∈［0，1］，ρ越小，分辨率越高，一般取 ρ=0.5［19］;

εk(i)——xi'(k)對 xi'(0)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

3.1.4 關(guān)聯(lián)度 r(k)

關(guān)聯(lián)度r(k)越大，表明該因素對活性碳纖維氈吸聲性能影響越大。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)不同因素對吸聲性能影響的12組活性碳纖維氈平均吸聲系數(shù)的測試數(shù)據(jù)，按照公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)，計算得出厚度、密度和纖維直徑三個因素對活性碳纖維氈吸聲性能的關(guān)聯(lián)度分別為：

r(1)=0.66; r(2)=0.62; r(3)=0.69

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)原則，活性碳纖維氈吸聲性能對厚度、密度和纖維直徑依賴程度由大到小的順序為：纖維直徑、厚度和密度。

4 結(jié)論

(1)活性碳纖維氈平均吸聲系數(shù)均大于0.2，表明該材料具有優(yōu)異的吸聲性能。

(2)隨著厚度和密度的增加，活性碳纖維氈吸聲性能提高;隨著纖維直徑變粗，活性碳纖維氈吸聲性能下降。

(3)活性碳纖維氈吸聲性能對厚度、密度和纖維直徑依賴程度最大為纖維直徑，其次為厚度，最小為密度。

［1］杜兆芳，胡鳳霞，趙淼淼，等.汽車內(nèi)飾材料的吸聲性能［J］.紡織學(xué)報，2011，32(6)：45-49.

［2］KIM H K，Lee H K.Influence of cement flow and aggregate type on the mechanical and acoustic characteristics of porous concrete［J］.Applied Acoustics，2010，71：607-615.

［3］季濤，高強，王春梅.活性碳纖維靜電植絨技術(shù)與產(chǎn)品應(yīng)用研究［J］.紡織學(xué)報，2004，25(5)：109-111.

［4］向海帆，趙寧，徐堅.聚合物纖維類吸聲材料研究進展［J］.高分子通報，2011(5)：1-9.

［5］HUANG Q，HUANG Y Q，PAN D A.Study on the surface structures of viscose-based activated carbon fiber by FT-IR spectroscopy and XPS［J］.Journal of Donghua University，2004，21(1)：57-62.

［6］錢薇薇，張瑜，高強，等.高速公路聲屏障用非織造吸聲材料的吸聲性能研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2013，31(5)：15-18.

［7］史磊，劉建立，左保齊.熔噴非織造材料/玻璃纖維復(fù)合材料的吸聲性能研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2013，31(3)：14-17.

［8］朱曉娜，史磊，左保齊.分層復(fù)合水刺/熱風(fēng)非織造材料的吸聲性能研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2012，30(1)：13-19.

［9］馬龍，丁先鋒，姜宇.車用廢紡雙密度氈吸聲隔聲性能研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011，29(11)：24-27.

［10］DELANY M E，BAZLEY E N.Acoustical properties of fibrous absorbent materials［J］.Applied Acoustics，1970，3(2)：105-116.

［11］JOHNSON D L，KOPLIK J，DASHEN R.Theory of dynamic permeability and tortuosity in fluid-saturated porous media［J］.Journal of Fluid Mechanics，1987，176：379-402.

［12］ALLARD J F.Propagation of sound in porous media［M］.London：Elsevier Applied Science，1993：53-61.

［13］MORSE P M，INGARD K U.Theoretical acoustics［M］.New York：McGraw-Hill，1968：86-92.

［14］CHEN Y，JIANG N.Carbonized and activated nonwovens as high-performance acoustic materials：part I noise［J］.Textile Research Journal，2007，77(10)：785-791.

［15］JIANG N，CHEN J Y，PARIKH D V.Acoustical evaluation of carbonized and activated cotton nonwovens［J］.Bioresource Technology，2009，100：6533-6536.

［16］JIANG S，XU Y Y，ZHANG H P，et al.Seven-hole hollow polyester fibers as reinforcement in sound absorption chlorinated polyethylene composites［J］.Applied Acoustics，2012，73：243-247.

［17］TASCAN M，VAUGHN E A.Effects of fiber denier，fiber cross-sectional shape and fabric density on acoustical behavior of vertically lapped nonwoven fabrics［J］.Journal of Engineered Fabrics ＆ Fibers，2008，3(2)：32-38.

［18］ZHANG H，XU F.Sound absorption properties of hemp fibrous assembly absorbers［J］.Sen-i Gakkaishi，2009，65(7)：191-196.

［19］鄧聚龍.灰理論基礎(chǔ)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002：122-313.

［20］沈岳，周敏宇.服用棉織物懸垂性的灰色預(yù)測分析［J］.棉紡織技術(shù)，2010，38(12)：40-43.