針刺吸聲隔音纖維氈材料的應(yīng)用及研究進(jìn)展

楊 菲，徐山青

（南通大學(xué)，江蘇 南通226019）

在全球議論的環(huán)境、資源問題中，交通噪聲被公認(rèn)為是一種嚴(yán)重的公害。汽車噪聲不但增加駕駛員和乘員的疲勞度，影響行駛安全，對(duì)人體健康也有不良的影響。國內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠家對(duì)汽車產(chǎn)品的噪聲控制都非常重視，都有專門的噪聲研究和控制隊(duì)伍，他們把低噪聲汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造作為產(chǎn)品開發(fā)的主要目標(biāo)之一。針刺纖維氈以其天然的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及多孔性、柔軟性及彈性等特點(diǎn)，非常適合于吸聲材料。除此之外，針刺纖維氈還具有原料來源廣、產(chǎn)品品種多；生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)速度快，產(chǎn)量高；工藝變化多，產(chǎn)品用途廣等特點(diǎn)，因此針刺纖維氈在吸聲材料中的應(yīng)用前景廣闊。

1 針刺纖維氈的吸聲隔音

1.1 針刺纖維氈結(jié)構(gòu)性能及特點(diǎn)

針刺法是經(jīng)過機(jī)械刺針的上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)經(jīng)過梳理并按不同纖維取向鋪疊而成的纖維網(wǎng)進(jìn)行針刺，使纖維自身相互纏結(jié)，以達(dá)到纖維網(wǎng)固結(jié)的作用。通過針刺方法加工的纖維氈，可以形成多層立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，三維孔隙分布均勻，可作為一種理想的吸聲隔音材料。由于針刺非織造布生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，工藝流程短，產(chǎn)品成本低，結(jié)構(gòu)獨(dú)特，技術(shù)性能優(yōu)越，所以被廣泛地應(yīng)用于汽車工業(yè)中，其應(yīng)用比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它工藝方法生產(chǎn)的非織造布。

1.2 針刺纖維氈的吸聲隔音原理

針刺纖維氈是一種多孔性吸聲材料，其噪聲控制機(jī)理為，當(dāng)聲波進(jìn)入吸聲材料孔隙后，部分聲波反射，部分聲波透入材料內(nèi)部微孔內(nèi)，激發(fā)孔內(nèi)空氣與筋絡(luò)發(fā)生振動(dòng)，空氣與筋絡(luò)之間的摩擦阻力使聲能不斷轉(zhuǎn)化為熱能而消耗；空氣與筋絡(luò)之間的熱交換也消耗部分聲能，從而達(dá)到吸聲的目的。

1.3 針刺纖維氈的吸聲性能的測(cè)量與評(píng)價(jià)

測(cè)量吸聲材料的吸聲性能有兩種方法：一種為駐波管法；另一種是混響室法。

駐波管法用于測(cè)量吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)垂直入射吸聲系數(shù)。用混響室測(cè)量吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)時(shí)，混響室應(yīng)滿足如下要求：室內(nèi)壁邊界面能有效地反射聲波，并使各方向來的聲波盡可能幾乎相等，形成擴(kuò)散場(chǎng)條件。這樣，室內(nèi)除了靠近聲源的范圍外，全室各點(diǎn)處的聲壓線變化不大；室內(nèi)容積V大于100m3，樣品要求量很大，在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中受到限制，但是這種測(cè)量方式是最接近實(shí)際情況的測(cè)量方法。

吸聲材料對(duì)于不同頻率的聲波具有不同的吸聲系數(shù)。在工程上，一般采用125Hz、250Hz、500Hz、1 000Hz、2000Hz、4 000Hz的6個(gè)頻率的吸聲系數(shù)之算術(shù)平均值，來表示某種吸聲材料的吸聲頻率特性。對(duì)于吸聲系數(shù)大于0.2的材料，稱為吸聲材料［6］。兩種測(cè)量方法的比較如表1所示。

表1 駐波管法和混響室法兩種測(cè)量方法的比較

2 針刺吸聲隔音纖維氈的材料選擇

2.1 植物纖維

早期使用的吸聲材料主要是植物纖維及其制品，如棉、麻纖維、甘蔗纖維、木質(zhì)纖維等。這類植物纖維用于降噪常采用模壓工藝做成板材或以非織造纖維氈的形式作為填料。這些材料在中、高頻范圍里有良好的吸聲性能，如黃麻纖維是一種天然的可再生資源，有良好的吸聲隔熱性能，我國“中華”牌轎車以其前衛(wèi)的設(shè)計(jì)理念率先采用黃麻纖維制造門板、頂棚、衣帽架和行李廂襯板等吸聲內(nèi)飾產(chǎn)品。偉世通（Visteon）公司采用一步模壓成形方法，使用德國R＋S公司的成形設(shè)備，其第一個(gè)產(chǎn)品是福特公司“Mondeo”牌汽車的門板。

2.2 無機(jī)纖維

吸聲材料常常采用的無機(jī)纖維有玻璃纖維、巖棉纖維、礦渣棉纖維。例如，超細(xì)玻璃棉是一種采用火焰熔化拉絲噴吹成直徑0.1～3.5um的棉絮狀玻璃微纖維。玻璃棉容重輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸聲系數(shù)高，是較理想的吸聲材料。超細(xì)玻璃棉吸聲材料主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，吸收和降低其聲輻射效率。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩殼體內(nèi)側(cè)吸聲層一般是以超細(xì)玻璃纖維和毛氈為吸聲材料的基體材料進(jìn)行表面處理，背后設(shè)計(jì)成空氣層結(jié)構(gòu)。但是關(guān)于玻璃棉的環(huán)保問題目前處于爭(zhēng)議之中，部分發(fā)達(dá)國家對(duì)玻璃棉的使用進(jìn)行了嚴(yán)格限制。

2.3 合成纖維

近年來，各種合成纖維也用于針刺吸聲隔音纖維氈的制造，這類紡織纖維主要有聚丙烯纖維、聚酯纖維、聚酰胺纖維等。美國通用公司，在0.44～0.666tex聚酯纖維網(wǎng)中加入低熔點(diǎn)聚酯纖維，經(jīng)針刺加固而成的材料，具有成本低、重量輕、可回收等特點(diǎn)，并且吸音效果良好。

2.4 再生纖維

近年來，廢舊紡織品成為增長(zhǎng)最快的固體垃圾之一，對(duì)環(huán)境壓力日益加劇。因此，廢舊紡織品回收和綜合利用受到了廣泛的重視，它既能節(jié)約大量資源，又能夠減輕對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染。國內(nèi)各汽車內(nèi)飾件生產(chǎn)企業(yè)主要以再生棉纖維／PET纖維／低熔點(diǎn)纖維通過針刺非織造加工方式生產(chǎn)出吸聲隔音纖維氈材料，用于制造隔音墊。隔音墊多分布于汽車底板、儀表板、汽車輪廓罩、引擎罩、中央通道等位置，主要吸收車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音，是降低整車NVH的措施之一。瑞士EMSCHEMIE采用70%專用聚酯短纖維與低收縮再生纖維混合成網(wǎng)，經(jīng)針刺形成高蓬松材料，再經(jīng)復(fù)合、模壓成形的材料，具有合適的硬挺度和良好的吸音效果，可用于汽車底部。

2.5 金屬纖維

用于降噪領(lǐng)域的金屬纖維主要有鋁纖維、鋼纖維。金屬纖維氈可以用于一些特殊環(huán)境和條件下的隔離材料，在高分貝條件下，金屬纖維氈吸音效果很好，這是由于它的多孔性和空隙曲折相連性，使聲音能量因粘滯流動(dòng)而損失，改變了聲音傳播的路徑，降低了傳播中的聲音能量，達(dá)到了降噪的目的。美國已開發(fā)出一種POLPRENT的產(chǎn)品，其主要成分是聚酯纖維，再加少量的聚丙烯纖維，通過針刺、熱粘合方法而成非織造纖維氈，其本身與其他的非織造纖維氈沒有任何區(qū)別，但如果在其夾層中加入金屬層或金屬網(wǎng)的話，就會(huì)有良好的隔音性能。

3 針刺吸聲隔音纖維氈應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，經(jīng)濟(jì)型轎車持續(xù)升溫，采用非織造材料做汽車內(nèi)飾材料已是國際流行趨勢(shì)，其中以針刺產(chǎn)品最受關(guān)注，它具有成本低、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、吸音、保暖、減震等特點(diǎn)，還具有較好的可塑性、穩(wěn)定性、多功能性和外觀好等優(yōu)良性能，因而非常適合用作汽車內(nèi)飾的頂篷布、車內(nèi)地毯、行李箱襯里等。如今，車用非織造布最引人注意的是隔音材料，它們正在取代較重的EVA型阻隔材料。根據(jù)Frost Sullivan的一份報(bào)告，用于隔音和發(fā)動(dòng)機(jī)罩的針刺非織造材料在終端市場(chǎng)的應(yīng)用會(huì)不斷增長(zhǎng)，北美地區(qū)2012年在這一領(lǐng)域的銷售達(dá)5.80億美元。德國卷材商Sandler公司提供基于PET的、具有吸音功能的Sawasorb非織造布。該公司稱，這些材料的應(yīng)用幾乎涵蓋了汽車行業(yè)所有隔音部件的用途，在歐洲已用于30多種車型。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

3.2.1 可回收車用非織造材料

汽車內(nèi)飾紡織品纖維要符合循環(huán)利用的基本要求：可以拆開、選擇合適的材料（不使用對(duì)環(huán)境有害的材料，限制使用多種類塑料，著重使用純凈的單一品種的塑料，使用可循環(huán)利用的材料）?？裳h(huán)再生型汽車隔音墊是一種具有低密度等優(yōu)點(diǎn)又有廢纖氈可循環(huán)利用、較廉價(jià)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)的填充成形的新型汽車隔音墊。它利用回收棉／化纖、回收PU海綿、低熔點(diǎn)纖維、滌綸纖維等材料制成，其特殊的制造工藝和技術(shù)使產(chǎn)品的粉塵含量極低，產(chǎn)品各部位密度均勻，壓縮回彈強(qiáng)度和恢復(fù)性能優(yōu)良，并具有抗霉和阻燃性。不僅在制造過程中節(jié)能，廢邊料可再利用，而且產(chǎn)品在車輛報(bào)廢后也可再循環(huán)利用；更主要的是原料從纖維開松混合開始到帶型面產(chǎn)品的一次成型，具有流程短、速度快、節(jié)能的制造優(yōu)勢(shì)。避免了傳統(tǒng)隔音墊纖維須經(jīng)開松、混配、混合氣流或機(jī)械成網(wǎng)再加熱定形，再進(jìn)行第二次加熱模壓冷卻成形的工藝，從而節(jié)約能源，提高效率，減少排放。

3.2.2 綠色健康車用非織造材料

隨著人們健康意識(shí)的日益增強(qiáng)，“綠色健康消費(fèi)”將成為人們的第一選擇。據(jù)有關(guān)資料顯示，目前，在神龍汽車有限公司（DPCA）所有車型乘員艙和行李廂中使用的源于回收的廢舊棉纖維的棉基聲學(xué)降噪材料，不能滿足DPCA關(guān)于氣味和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的技術(shù)要求，對(duì)整車VOC和氣味的技術(shù)質(zhì)量控制目標(biāo)構(gòu)成了極大的威脅，尤其是甲醛檢出率及水平嚴(yán)重超標(biāo)。為了從根本上消除廢舊棉氈聲學(xué)降噪材料在VOC和氣味方面的風(fēng)險(xiǎn)，必須采用環(huán)境友好、低氣味、低VOC排放的新材料。

3.2.3 功能化車用非織造材料

隨著汽車生產(chǎn)廠商對(duì)汽車內(nèi)飾要求的不斷提高，功能化勢(shì)在必行。對(duì)于汽車內(nèi)飾非織造材料來說，在原有的基本特性之外，還應(yīng)具有較高的阻燃性、耐磨、染色牢度、抗靜電等性能，以及質(zhì)量輕、防水、防油、易清潔、不易變形抗菌等特性。如：防紫外線纖維可以使座椅面料、地毯、車篷等紡織品不至于褪色和脆化；涼爽纖維通過屏蔽大部分的紫外線、可見光及紅外線，使車內(nèi)溫度降低。

4 結(jié)論

針刺纖維氈由于具有多孔性、柔軟性及彈性，非常適合用作吸聲材料，但目前，其在降噪領(lǐng)域的應(yīng)用還十分有限，我們應(yīng)該大力開發(fā)及推廣新的非織造布復(fù)合降噪材料，不僅可以增加紡織企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以降低噪聲對(duì)環(huán)境的影響。

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