中空滌綸增強橡膠基復合材料層合非織造布的吸聲性能

洪 杰， 姜 生， 晏 雄

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620；3. 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學院 紡染工程學院， 江蘇 南通 226007)

中空滌綸增強橡膠基復合材料層合非織造布的吸聲性能

洪 杰1,2,3， 姜 生3， 晏 雄1,2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620；3. 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學院 紡染工程學院， 江蘇 南通 226007)

為改進氫化羧基丁腈橡膠(HXNBR)/單孔中空滌綸短纖復合材料(HF)在中低頻的吸聲性能，將厚度為1 mm、質(zhì)量比為70/30的HF與厚度為3 mm、面密度為300 g/m2的針刺單孔中空滌綸短纖非織造布(NPH)層合制取了雙層材料HF-NPH、三層材料HF-NPH-HF和NPH-HF-NPH。研究認為：雙層材料以HF為入射面可有效改進材料在中低頻吸聲性能，吸聲系數(shù)在750 Hz處達到峰值0.761，吸聲系數(shù)大于0.2的有效頻域為550～1 700 Hz，但在1 700 Hz以上中高頻吸聲性能差；三層材料則在中低頻吸聲性能優(yōu)異的同時中高頻吸聲性能也較好，吸聲系數(shù)大于0.2的有效頻域均為450～2 500 Hz，在此范圍內(nèi)平均吸聲系數(shù)均大于0.56，但總體上NPH-HF-NPH吸聲性能更優(yōu)。

氫化羧基丁腈橡膠； 中空滌綸； 復合材料； 吸聲

非織造吸聲材料作為一種多孔性吸聲材料在實際中具有廣泛的應用和研究[1-2]，但基于多孔性吸聲材料的特點，其在中高頻吸聲效果好，且隨頻率增加其吸聲性能越好，要在中低頻取得優(yōu)異的吸聲性能需要大幅增加材料厚度或采取設置背部空腔等方式實現(xiàn)，這就帶來材料厚重化、結(jié)構(gòu)空間加大、制取復雜化和資源浪費問題[3-4]。中空合成短纖用作增強體制取橡膠基復合吸聲材料，鮮見公開的文獻報道。姜生等[5-7]以氯化聚乙烯、廢棄回收橡膠為基體，加入七孔中空滌綸短纖作為增強體，制取了一系列的吸聲材料，研究表明七孔中空滌綸短纖的使用可有效改進材料的吸聲性能，材料吸聲特性呈現(xiàn)多孔性吸聲材料的特點，通過增加纖維用量和材料厚度可使吸聲性能得到進一步提高，但是在中低頻的吸聲性能仍很差，改善不夠顯著。為此，姜生等[6,8]采取在材料后部設置背部空腔、與穿孔板復合等方式來改進材料在中低頻的吸聲性能，但由此帶來了材料制取較復雜、材料空間結(jié)構(gòu)加大等問題。

本文將一種用單孔中空滌綸制取的針刺非織造布與氫化羧基丁腈橡膠/單孔中空滌綸短纖復合材料層合，制取了層合材料，對其吸聲性能進行研究，力求材料輕薄、制取簡單，且在中低頻的吸聲性能得到顯著改善。

1 實驗材料制備

1.1 原 料

針刺非織造布(NPH)，制取所用單孔中空滌綸短纖規(guī)格為0.667 tex×64 mm，中國石化儀征化纖股份有限公司生產(chǎn)。氫化羧基丁腈橡膠/單孔中空滌綸短纖復合材料(HF)：所用基體氫化羧基丁腈橡膠(HXNBR)為德國朗盛(LANXESS)公司產(chǎn)品，牌號Therban XT VP KA8889；所用單孔中空滌綸(SHHPF)規(guī)格為0.167 tex×38 mm，由上海東華海天紡織科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)。

1.2 材料制備

1.2.1 NPH和HF材料制取

所制取NPH材料厚為3 mm，面密度為300 g/m2，制備過程如下：纖維開松、混合→梳理成網(wǎng)→交叉鋪網(wǎng)→預針刺→主針刺。

HF材料制備過程為：1)按一定質(zhì)量比稱取HXNBR和SHHPF；2)先將HXNBR在X(S)K-460型雙輥筒煉膠機(無錫市創(chuàng)成橡塑機械有限公司生產(chǎn))上輥溫度為30 ℃下混煉5 min，再分多批次加入SHHPF，繼續(xù)混煉40 min至均勻，得到HXNBR/SHHPF混合體；3)將HXNBR/SHHPF混合體鋪放在1 mm厚的模具中，模具上下用30 cm×30 cm、厚為5 mm的不銹鋼板夾持，在模具與鋼板之間放有1層防黏耐高溫聚酯膜(PET膜)，然后將裝好的鋼板放入QLB-50D/Q型平板硫化機(無錫市創(chuàng)成橡塑機械有限公司生產(chǎn))；4)在壓力為1～2 MPa、溫度為140 ℃下預熱5 min，調(diào)節(jié)壓力，然后在壓力為10 MPa、溫度為140 ℃下壓制20 min；5)泄壓，取出鋼板，冷卻脫模即得表面平滑厚度為1 mm的HF材料。根據(jù)文獻[5-7]的研究結(jié)果結(jié)合實驗摸索，所制取HF材料中HXNBR與SHHPF材料的質(zhì)量比為70∶30。

1.2.2 層合材料制備

先將HF、NPH材料層合制取雙層材料(HF-NPH)，再以HF-NPH為基礎繼續(xù)層合1層NPH或HF，制得以NPH為芯層的3層材料(HF-NPH-HF)和以HF為芯層的3層材料(NPH-HF-NPH)，3種材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 層合材料結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of laminated materials

HF-NPH材料制取過程為：1)在30 cm×30 cm、厚為5 mm不銹鋼平板上先后鋪放1層30 cm×30 cm PET膜和聚四氟乙烯(PTFE)耐高溫布；2)將裁剪為8 cm × 8 cm并已放入一方形不銹鋼制模具(見圖2)內(nèi)的HF材料置于PTFE耐高溫布上，再置于平板硫化機電熱平板上在100 ℃下預熱5 min；3)將裁剪為8 cm× 8 cm的NPH材料放置在經(jīng)預熱的HF材料上，其上再放置1層PET膜和1塊30 cm×30 cm、厚為5 mm的不銹鋼平板，開啟硫化機使上下電熱平板閉合，在100 ℃無壓狀態(tài)下壓制0.5 min；4)取出待完全冷卻去除模具等，即得雙層材料HF-NPH。

圖2 模具平面示意圖Fig.2 Sketch of mold

HF-NPH-HF材料的制取過程為：1)按HF-NPH材料制取中描述的預熱條件預熱HF；2)將已制取的HF-NPH材料以NPH為下層放置在經(jīng)預熱的HF材料上，然后在HF-NPH材料的HF上先后放置1層PTFE耐高溫布和PET膜，再放置1塊30 cm×30 cm、厚為5 mm的不銹鋼平板，開啟硫化機使上下電熱平板閉合，在100 ℃無壓狀態(tài)下壓制0.5 min；3)取出待完全冷卻去除模具等，即得3層材料HF-NPH-HF。

NPH-HF-NPH材料的制取過程為：1)將所制取HF-NPH材料HF層朝上放入厚度為4 mm的圖2所示的方形不銹鋼模具內(nèi)，置于鋪有PET膜的不銹鋼平板上，再放在平板硫化機電熱平板上于100 ℃下預熱5 min；2)將裁剪為8 cm× 8 cm的NPH材料放置在經(jīng)預熱HF-NPH材料的HF上，在NPH上再放置1層PET膜和1塊30 cm×30 cm、厚為5 mm的不銹鋼平板，開啟硫化機使上下電熱平板閉合，在100 ℃無壓狀態(tài)下壓制0.5 min；3)取出待完全冷卻去除模具等，即得3層材料NPH-HF-NPH。

2 性能測試

圖3 阻抗管測試吸聲系數(shù)安裝圖Fig.3 Assembled diagram of measured sound absorption coefficient with impedance tube

材料吸聲性能測試在由北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SW230系列阻抗管上完成，測試時將材料裁成直徑為8 cm的圓形試樣，遵照GB/T 18696.2—2002《聲學 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量 第2部分 傳遞函數(shù)法》，儀器安裝示意圖如圖3所示。

HF材料電鏡拍攝采用美國FEI公司生產(chǎn)的Quanta-250環(huán)境掃描電子顯微鏡，拍攝斷面需先將材料放置在液氮中一定時間進行脆斷，然后在高真空下進行碳一級復型，經(jīng)過噴金處理后完成拍攝，拍攝表面則無需脆斷過程。

3 結(jié)果分析

3.1 HF和NPH材料的吸聲性能

圖4示出HF和NPH材料的吸聲性能。為了表明SHHPF使用對材料吸聲性能的改善，加入了相同厚度純HXNBR材料對吸聲數(shù)據(jù)進行對比。圖5示出SHHPF的橫截面。圖6示出HF材料的掃描電鏡照片。

圖4 HF和NPH材料的吸聲性能Fig.4 Sound absorption properties of HF and NPH

圖5 SHHPF的橫截面切片(× 2 000)Fig.5 Cross section morphology with SHHPF(× 2 000)

圖6 HF材料的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 SEM images of HF. (a) Section(× 500); (b) Surface(× 100)

從圖4可看出，HF材料在1 700 Hz以上范圍時，相比純HXNBR材料其吸聲性能有顯著改善，這是由于在HXNBR中加入SHHPF后，材料的吸聲作用機制多元化所致。除了HXNBR基體其黏彈性內(nèi)阻尼耗能吸聲，還有所加入SHHPF的黏滯作用、熱傳導以及纖維本身的振動耗能共同作用下吸聲[9]。此外，從圖5可知SHHPF的中空結(jié)構(gòu)使得HF中空隙增加，其中存在的空氣起到了黏滯作用以及空氣與腔壁的摩擦作用導致耗能增加較多而使吸聲性能隨之有更大的改善[10-11]。從圖6看出HF中含有較多的SHHPF，其在材料中均勻分散存在，相互之間構(gòu)建出一個完整致密的纖維網(wǎng)絡，使得纖維之間的振動摩擦耗能以及纖維本身振動與橡膠基體間的摩擦耗能作用得到增強，也極大地消耗了聲波的能量，使HF材料具有優(yōu)異的吸聲性能[6]。

從圖4還可看出，HF材料吸聲性能呈現(xiàn)多孔性吸聲材料特點，吸聲系數(shù)大于0.2的范圍為1 900～2 500 Hz，在2 500 Hz處的吸聲系數(shù)為0.578，而在小于1 700 Hz范圍幾乎沒有任何改進，吸聲性能很差，在500 Hz以下范圍呈現(xiàn)的吸聲系數(shù)規(guī)律也較為凌亂。對于NPH材料，其吸聲性能也呈多孔性吸聲材料的特點，只是相比HF材料在整個頻率范圍內(nèi)吸聲性能較優(yōu)，吸聲系數(shù)大于0.2的范圍為1 300～2 500 Hz，在2 500 Hz處的吸聲系數(shù)為0.567，但在中低頻吸聲性能仍較差。

3.2 雙層材料的吸聲性能

制備的雙層材料HF-NPH的吸聲性能如圖7所示。圖中HF-NPHHN、HF-NPHNH分別表示以HF為入射面和NPH為入射面時雙層材料的吸聲性能。由圖7(a)可知，選擇不同的入射面時HF-NPH材料的吸聲性能完全不同。以NPH作為入射面，材料的吸聲性能所呈現(xiàn)的規(guī)律和HF、NPH材料一致。這是由于以NPH為入射面時，聲波除了一部分被反射后進入到NPH內(nèi)部，由于NPH為非織造多孔性吸聲材料，材料中纖維之間空隙存在以及所用單孔中空滌綸短纖中靜止空氣的存在，空氣的黏滯和摩擦作用可消耗能量引起聲能的衰減，同時纖維之間的振動摩擦作用也使聲能衰減，但NPH基于多孔性吸聲材料的特性對中高頻范圍聲波的吸收作用好，在中低頻吸聲作用較差。此后，聲波開始入射到HF表面，同樣部分聲波被反射再次進入NPH后其余進入到HF內(nèi)部，引起HF中如前文所述的多元化吸聲作用。由于HF在1 900 Hz以上范圍才展現(xiàn)出優(yōu)良的吸聲性能，在1 900 Hz以下吸聲性能很差，此時HF對雙層材料整體吸聲性能的提高也更多體現(xiàn)在中高頻，且頻率越高其提高幅度越大。綜合作用下，此時雙層材料表現(xiàn)為多孔性吸聲材料的特點，隨頻率增加其吸聲系數(shù)增大，在2 500 Hz處吸聲系數(shù)為0.675，吸聲系數(shù)大于0.2的范圍拓寬為1 150～2 500 Hz，圖7中該范圍內(nèi)各頻率點的平均吸聲系數(shù)為0.414。

圖7 HF-NPH材料的吸聲性能Fig.7 Sound absorption properties of HF-NPH. (a)100-2 500 Hz;(b)100-500 Hz

當以HF作為入射面時，從圖7(a)可知雙層材料吸聲性能發(fā)生了根本性的改變，其吸聲系數(shù)先隨頻率的增加而提高，至一定峰值后開始下降，且出現(xiàn)峰值的位置顯著往中低頻方向移動在750 Hz處，對應的峰值為0.761，吸聲系數(shù)大于0.2的有效頻率范圍整體上也向低頻區(qū)移動，為550～1 700 Hz，在這個范圍內(nèi)各頻率點平均吸聲系數(shù)為0.399。同時從圖7(b)可看出，在500 Hz以下的低頻范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)均在0.1以上，且吸聲系數(shù)數(shù)值規(guī)律有序。這是由于以HF為入射面時，雖然其吸聲特性呈現(xiàn)出多孔性材料的吸聲特點，但由圖6(b)可知，HF是一種封閉式薄膜片狀材料，其纖維均固化在HXNBR基體內(nèi)，而其后層合的NPH為非織造多孔性吸聲材料，在NPH中纖維之間的空隙存在空氣以及所用中空滌綸短纖中也存在大量空氣相互貫穿形成空氣層，起到一種類似后部空腔的作用，產(chǎn)生了空腔共振作用吸聲效果。為證實這個假設，在單一的HF后設置3 mm空氣層，測試其吸聲性能，結(jié)果如圖8所示。峰值為0.633，其對應頻率點為1 150 Hz，吸聲系數(shù)大于0.2的范圍為850～1 850 Hz，這一范圍內(nèi)各頻率點平均吸聲系數(shù)為0.379。HF-NPHHN吸聲規(guī)律與此類似，但HF-NPHHN有效吸聲頻域更寬也更偏向中低頻，有效頻域內(nèi)的平均吸聲系數(shù)也更高。這是因為除了有空腔共振作用吸聲，在聲波激發(fā)下NPH中存在纖維黏滯損耗和纖維之間的振動摩擦耗能，同時材料厚度增加在一定程度上也有助于中低頻吸聲性能提高。綜合作用下，材料吸聲性能發(fā)生改變，中低頻吸聲性能得到有效提高，但是中高頻吸聲性能差[12]。

圖8 設置3 mm空氣層的HF材料的吸聲性能Fig.8 Sound absorption property of HF with 3 mm cavity

相比采取增加材料厚度或在材料背后設置空腔結(jié)構(gòu)的方式來改善材料在中低頻的吸聲性能， HF-NPH材料采取合適的入射面使材料在輕薄的同時其中低頻吸聲性能顯著改進，且材料制取簡單[ 4,13]。

3.3 3層材料的吸聲性能

HF-NPHHN在中低頻有很好的吸聲性能，但在1 500 Hz以上中高頻吸聲性能受到了影響，為此繼續(xù)層合制取了3層材料，其吸聲性能如圖9所示。可以看出，2種3層材料的吸聲規(guī)律相似，隨頻率增加其吸聲系數(shù)相應增大，至一定峰值后開始下降。對于HF-NPH-HF材料，在1 800 Hz處達到峰值，吸聲系數(shù)為0.74，大于0.2的有效吸聲頻率范圍為450～2 500 Hz，在中低頻吸聲性能得到提高的同時在中高頻也有較好的吸聲性能，在該范圍內(nèi)平均吸聲系數(shù)為0.562，為高效吸聲材料[14]。這是由于在HF-NPH基礎上，進一步層合HF，材料為一種三明治結(jié)構(gòu)。根據(jù)前述分析，NPH中存在的大量空氣相互貫穿形成空氣層，在HF后起到了一種背部空腔共振的吸聲作用，且材料厚度由4 mm增至5 mm，在一定程度上也有助于中低頻吸聲性能的提高。而經(jīng)衰減后的聲波再進入最后一層HF，HF作為一種呈現(xiàn)多孔性吸聲材料特性的封閉式薄膜片狀材料，有助于中高頻的吸聲性能改進，因此，HF-NPH-HF在更寬的頻率范圍具有更好的吸聲性能。

圖9 3層材料的吸聲性能Fig.9 Sound absorption properties of HF-NPH-HF and NPH-HF-NPH

對于NPH-HF-NPH材料，在1 450 Hz處達到峰值，吸聲系數(shù)為0.687，大于0.2的頻率范圍為450～2 500 Hz，在此范圍內(nèi)各點的平均吸聲系數(shù)為0.581，結(jié)合圖9對中高頻吸聲性能的觀察，其總體優(yōu)于HF-NPH-HF，同時也是一種高效吸聲材料[14]。這是由于在NPH-HF-NPH中，聲波除了一部分被反射后進入到NPH內(nèi)部，根據(jù)前述NPH在中高頻吸聲性能好，經(jīng)衰減后透過NPH的聲波開始入射到HF表面，同樣部分聲波被反射再次進入NPH，其余進入到HF內(nèi)部，此時在HF后還有一層NPH，其中存在的大量空氣相互貫穿形成空氣層在HF后起到了一種背部空腔共振的吸聲作用，使得材料在中低頻的吸聲性能得到改善。同時材料厚度增至7 mm，不僅有助于材料在中低頻吸聲性能的改善，對材料整體上的吸聲性能也有改進，且NPH相比HF在中高頻的吸聲性能更優(yōu)。綜合作用下， 使NPH-HF-NPH比HF-NPH-HF在中高頻吸聲性能更好的同時在整體上吸聲性能也更優(yōu)。

4 結(jié) 論

1)采取層合方式制取的材料其吸聲性能得到改善， HF-NPH材料采取不同的入射面所呈現(xiàn)的吸聲規(guī)律不同。以NPH為入射面呈現(xiàn)多孔性吸聲材料的特點，中高頻的吸聲性能進一步提高，吸聲系數(shù)大于0.2的有效頻域為1 150～2 500 Hz，2 500 Hz處的峰值為0.675，但在中低頻吸聲性能仍很差；以HF為入射面在中低頻的吸聲性能優(yōu)異，吸聲系數(shù)大于0.2的有效頻域為550～1 700 Hz，吸聲系數(shù)峰值為0.761，對應頻率為750 Hz，但在中高頻吸聲性能差。

2)3層材料在中低頻吸聲性能優(yōu)異的同時，在中高頻的吸聲性能也較好，吸聲系數(shù)大于0.2的有效頻域均為450～2 500 Hz，在此范圍內(nèi)HF-NPH-HF平均吸聲系數(shù)為0.562，NPH-HF-NPH平均吸聲系數(shù)為0.581，其總體吸聲性能也更優(yōu)。

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Sound absorption properties of hollow polyester reinforced rubber-based composite laminated nonwoven

HONG Jie1,2,3, JIANG Sheng3, YAN Xiong1,2

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 3.CollegeofTextileandDyeingEngineering,JiangsuCollegeofEngineeringandTechnology,Nantong,Jiangsu226007,China)

In order to improve the sound absorption property of hydrogenated carboxyl nitrile rubber /single-hole hollow polyester composite (HF), HF with a mass ratio of 70/30 in 1 mm thickness was laminated with needle punched single-hole hollow polyester nonwoven(NPH) which was 300 g/m2and 3 mm in thickness, then double laminated material HF-NPH, and triple laminated material HF-NPH-HF and NPH-HF-NPH were fabricated. The study found that the sound absorption property of double laminated material in mid-low frequency is effectively improved when setting the HF as the incident side. The peak value of sound absorption coefficient is 0.761 at the frequency of 750 Hz, and the effective frequency bandwidth of sound absorption coefficient larger than 0.2 is 550-1 700 Hz, but it has poor sound absorption property at mid-high frequency above 1 700 Hz. For the triple laminated materials, they have excellent sound absorption property both at mid-low frequency and mid-high frequency. Their effective frequency bandwidth of sound absorption coefficient larger than 0.2 are broadened to 450-2 500 Hz, and the average absorption coefficient is greater than 0.56 in this effective frequency bandwidth. Generally, sound absorption property of NPH-HF-NPH is slightly better than that of HF-NPH-HF.

hydrogenated carboxyl nitrile rubber; hollow polyester; composite; sound absorption

10.13475/j.fzxb.20150303406

2015-03-20

2015-10-13

中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導性項目(2013115)；江蘇省青藍工程資助項目(蘇教師[2014]23號)

洪杰(1981—)，男，講師，博士生。研究方向為阻尼吸聲功能材料。晏雄，通信作者，E-mail：yaxi@dhu.edu.cn。

TQ 050.4

A