經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料的制備及其吸聲性能

陳　思，高曉平，龍海如

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；2． 東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

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經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料的制備及其吸聲性能

陳思1，高曉平1，龍海如2

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；2． 東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

摘要：將具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)編間隔織物與聚氨酯泡沫材料復(fù)合，制備了7種經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料試樣.利用駐波管對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了吸聲性能測(cè)試，探討間隔絲墊紗方式、織物厚度和表面組織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料聲波吸收性能的影響.測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合材料具有優(yōu)異的吸聲特性，其吸聲性能可以通過(guò)改變織物結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整.

關(guān)鍵詞：經(jīng)編間隔織物； 聚氨酯泡沫； 吸聲性能

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，噪聲污染日趨嚴(yán)重，已經(jīng)對(duì)人類(lèi)身體健康和工作學(xué)習(xí)造成了巨大危害.噪聲污染是繼水污染、大氣污染、固體廢棄物污染之后的第四個(gè)環(huán)境污染問(wèn)題[1].如何降低噪聲污染的危害已成為科研人員的研究重點(diǎn).目前普遍采用的方法是使用聚合物多孔材料對(duì)噪聲進(jìn)行吸收，這類(lèi)多孔材料包括工業(yè)橡膠板、發(fā)泡硅膠板、發(fā)泡聚氨酯泡沫塑料等[2]. 這些材料在吸聲方面各有特點(diǎn)，但在追求材料性能多元化方面就略顯不足.例如,不能兼具優(yōu)異的吸聲和力學(xué)性能，且材料自身相對(duì)密度大、易水解或無(wú)阻燃性能等.近幾年，大量的紡織材料因其多孔結(jié)構(gòu)在吸聲應(yīng)用方面?zhèn)涫芮嗖A，其中經(jīng)編間隔織物的吸聲性能尤為突出[3-4].通過(guò)對(duì)經(jīng)編間隔織物吸聲性能的研究可知，經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以顯著地影響其吸聲性能，具體而言，織物厚度越大、表面層體積密度越大、孔隙率越小，織物的吸聲性能越好，且織物的吸聲能力隨聲頻的增加而增加，屬于中高頻吸聲材料[5].但與聚合物多孔材料類(lèi)似，經(jīng)編間隔織物在力學(xué)方面的性能并不令人滿(mǎn)意.因此，本文旨在使用先進(jìn)復(fù)合材料制備方法，將經(jīng)編間隔織物與聚氨酯這兩種多孔材料進(jìn)行復(fù)合，開(kāi)發(fā)一種兼具出色的聲學(xué)及力學(xué)性能的復(fù)合材料[6-7]，并實(shí)現(xiàn)材料性能的最優(yōu)化配置以及功能的多元化.

1多孔材料吸聲理論

1.1多孔材料吸聲機(jī)理

多孔材料因其疏松、柔軟、多孔結(jié)構(gòu)特性被廣泛應(yīng)用于吸聲領(lǐng)域[8].當(dāng)入射聲波到達(dá)多孔材料表面層時(shí)，聲波的振動(dòng)引起多孔材料內(nèi)部的孔隙中的空氣運(yùn)動(dòng)，空氣運(yùn)動(dòng)的本身就可以減弱高頻聲波強(qiáng)度，同時(shí)空氣的運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步造成材料孔壁與空氣以及孔壁之間的摩擦，聲波能量在摩擦和黏滯力的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)掉，從而使聲波強(qiáng)度衰減.由此可知，多孔材料中的孔隙和孔隙中的空氣與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱交換而引起的熱能損失是多孔材料吸聲的根本原因.

1.2吸聲系數(shù)

吸聲系數(shù)(α)是反映材料吸聲性能的重要指標(biāo)，其定義為材料吸收的聲波能量與入射到材料上的總聲波能量之比，計(jì)算公式[2]為

(1)

其中：Ei為入射聲波能量；Ea為被材料吸收的聲波能量；Er為被材料反射的聲波能量；λ為反射系數(shù).α取值一般為0～1，α值越大，表示材料的吸聲性能越好.

2試樣的制備與結(jié)構(gòu)

2.1經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文所選取的7種經(jīng)編間隔織物具有不同織物結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖1顯示了經(jīng)編間隔織物的正視圖及右視圖.間隔絲的類(lèi)型及間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和2所示.所選經(jīng)編間隔織物均在E18型拉舍爾雙針床經(jīng)編機(jī)上編織.

(a) 正視圖

(b) 右視圖

類(lèi)型直徑/mm墊紗方式及穿經(jīng)Ⅰ0.20GB3:1-03-2/3-21-0//1穿1空GB4:3-21-0/1-03-2//1空1穿Ⅱ0.20GB3:1-04-3/4-31-0//1穿1空GB4:4-31-0/1-04-3//1空1穿

表2　經(jīng)編間隔織物原料與結(jié)構(gòu)參數(shù)

注：原料中的A和B分別代表33.3 tex/96f 滌綸(PET)復(fù)絲和PET單絲.

2.2復(fù)合材料試樣制備

本文所采用聚氨酯泡沫材料是一種聚氨酯泡沫的彈性體.該聚氨酯彈性體泡沫是由異氰酸酯和聚醚多元醇以質(zhì)量比為43.9∶100在室溫下反應(yīng)發(fā)泡，且發(fā)泡均勻.其制備在一個(gè)模具中進(jìn)行，在其制備過(guò)程中，模具上下表面的距離可以調(diào)整成與間隔織物厚度相同，以確保制備出的聚氨酯復(fù)合材料厚度與間隔織物厚度完全一致.聚氨酯泡沫反應(yīng)漿料沿間隔織物的經(jīng)向注入，制備的經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料制品一般在熟化脫模后24h可達(dá)到完全熟化穩(wěn)定，可以對(duì)其進(jìn)行下一步試驗(yàn)測(cè)試. 制備出的聚氨酯基復(fù)合材料如圖2所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示.

(a) 示意圖

(b) 實(shí)物圖

表3　聚氨酯基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)

注：復(fù)合材料試樣C1～C7由對(duì)應(yīng)的間隔織物S1～S7制備得出.

3吸聲性能測(cè)試及結(jié)果分析

3.1吸聲系數(shù)測(cè)試

依據(jù)傳播函數(shù)法對(duì)樣本進(jìn)行吸聲系數(shù)的測(cè)量[9].測(cè)量?jī)x器為北京聲望公司生產(chǎn)的SW260型阻抗管，如圖3所示.依據(jù)GB J88—1985在溫度為(23±2)℃和相對(duì)濕度為(65±5)%的標(biāo)準(zhǔn)靜音室中進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試.每個(gè)樣品的測(cè)量值都取3次測(cè)量后的平均值.

圖3　吸聲系數(shù)測(cè)試裝置Fig.3　Sound absorption coefficient measurement instrument

3.2測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1間隔絲墊紗方式對(duì)吸聲系數(shù)的影響

復(fù)合材料試樣C1和C2的間隔絲墊紗方式分別為1-0 3-2/3-2 1-0 和1-0 4-3/4-3 1-0，由此可知，2種復(fù)合材料試樣間隔絲的橫移針距數(shù)分別為3和4.在一個(gè)墊紗循環(huán)中(間隔絲橫移 3 和 4 個(gè)針距時(shí))間隔絲排列的示意圖如圖4所示.圖4中面AB′BA′ 代表織物的第一個(gè)橫列，面CD′DC′ 代表織物的第二個(gè)橫列，AC(A′C′) 面為織物的上表面，BD(B′D′) 面為織物的下表面，實(shí)線(xiàn)代表間隔梳櫛GB3的運(yùn)動(dòng)軌跡，虛線(xiàn)代表間隔梳櫛GB4的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖4中各點(diǎn)與墊紗數(shù)碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示.由圖4可知，間隔絲橫移針距數(shù)可以直接影響間隔絲傾斜程度.當(dāng)間隔絲橫移針距數(shù)越大，間隔絲軸向越接近水平；反之，間隔絲橫移針距數(shù)越小，間隔絲軸向越接近垂直，且間隔絲橫移針距數(shù)越小所形成的間隔絲長(zhǎng)度越短.

(a) 1-0 3-2/3-2 1-0

(b) 1-0 4-3/4-3 1-0

Table 4The corresponding relation between lapping movements and dots

織物AA'BB'CC'DD'S11-03-23-21-03-21-01-03-2S21-04-34-31-04-31-01-04-3

2種間隔絲墊紗方式的復(fù)合材料試樣的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖5所示.

圖5　不同間隔絲墊紗方式的復(fù)合材料吸聲系數(shù)曲線(xiàn)Fig.5　The sound-absorption coefficient curves of the composites with different lapping movements of spacer yarns

由圖5可知，試樣的吸聲系數(shù)隨著間隔絲墊紗方式的變化而變化，且在不同的聲波頻率范圍內(nèi)，2種試樣呈現(xiàn)出不同的聲波吸收規(guī)律.當(dāng)聲波頻率小于1 000 Hz時(shí)，間隔絲橫移針距數(shù)較大的試樣具有較高吸聲系數(shù)；當(dāng)聲波頻率為1 000～3 000 Hz時(shí)，情況發(fā)生了反轉(zhuǎn)，間隔絲橫移針距數(shù)較小的試樣具有較高吸聲系數(shù)；當(dāng)聲波頻率大于3 000 Hz時(shí)，間隔絲橫移針距數(shù)較大的試樣再次擁有較高的吸聲系數(shù).從吸聲系數(shù)峰值角度看，間隔絲橫移針距數(shù)較大試樣的吸聲系數(shù)峰值較大，且吸聲系數(shù)峰值所對(duì)應(yīng)的聲波頻率高于間隔絲橫移針距數(shù)小的試樣.綜上說(shuō)明，間隔絲橫移針距數(shù)較大的試樣在聲波頻率較高的范圍具有較好的吸聲特性.

這可以從聲波在試樣內(nèi)部傳播的路徑來(lái)解釋上述現(xiàn)象. 當(dāng)聲波頻率小于1 000 Hz時(shí)，聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，聲波可以穿過(guò)試樣表層到達(dá)材料底層，由于間隔絲橫移針距數(shù)較大的試樣的厚度略大于間隔絲橫移針距數(shù)較小的試樣，這就造成聲波在間隔絲橫移針距數(shù)較大的試樣中傳播路徑較大，對(duì)聲波的消耗較大；當(dāng)聲波頻率大于1 000 Hz時(shí)，聲波波長(zhǎng)變短，聲波穿過(guò)試樣表層進(jìn)入材料內(nèi)部.眾所周知，聲波的散射、反射和折射路徑都會(huì)因?yàn)樵嚇觾?nèi)部間隔絲的不同排列方式而發(fā)生變化，進(jìn)而造成了對(duì)聲波的吸收能力也不相同.從圖4可知，在單位面積內(nèi)間隔絲橫移針距數(shù)較小試樣的內(nèi)部所具有的間隔絲數(shù)量較多，且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，這就導(dǎo)致聲波在試樣內(nèi)部與間隔絲之間的接觸摩擦面積較大，造成了對(duì)聲波的消耗較大.隨著聲波頻率的增大，波長(zhǎng)繼續(xù)變短，此時(shí)聲波在試樣中的傳播情況與聲波頻率小于1 000 Hz時(shí)相似.

3.2.2厚度對(duì)吸聲系數(shù)的影響

3種厚度的復(fù)合材料試樣的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖6所示.圖6表明，試樣的吸聲系數(shù)隨著試樣厚度的增加而增加.此種現(xiàn)象與文獻(xiàn)[1-2,5,8]的研究結(jié)果一致，即材料的厚度越大，其吸聲性能越好.因此，可以通過(guò)提高材料厚度以增加聲波在材料內(nèi)部的摩擦消耗來(lái)達(dá)到減弱聲波強(qiáng)度的目的.通過(guò)對(duì)比試樣C1和C3的吸聲系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，材料厚度的增加可以明顯提高材料的吸聲性能；而試樣C1和C4的吸聲系數(shù)非常接近.以上結(jié)果說(shuō)明材料的厚度存在一個(gè)臨界值，當(dāng)材料厚度小于這個(gè)臨界值時(shí)，材料的吸聲系數(shù)會(huì)隨著厚度的增加而明顯增大；當(dāng)材料厚度大于這個(gè)臨界值時(shí)，材料吸聲系數(shù)隨厚度增加而增加的幅度變小，由此可知,臨界厚度值可以當(dāng)作選擇吸聲材料厚度的一個(gè)限制條件.

圖6　不同厚度的復(fù)合材料吸聲系數(shù)曲線(xiàn)Fig.6　The sound-absorption coefficient curves of the composites with different thickness

3.2.3表面組織結(jié)構(gòu)對(duì)吸聲系數(shù)的影響

間隔織物表面組織結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)織物表面密度、間隔絲的排列以及端部的束縛情況造成影響.因此為了探討表面組織對(duì)復(fù)合材料吸聲性能的影響，選取了4種織物表面組織結(jié)構(gòu)：編鏈+襯緯、菱形網(wǎng)孔、六角形網(wǎng)孔和經(jīng)平絨，如圖7所示.

4種表面組織結(jié)構(gòu)試樣的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖8所示. 圖8表明，不同表面組織的試樣具有不同的聲波吸收特性.具體而言，當(dāng)聲波頻率小于3 000 Hz時(shí)，表面組織結(jié)構(gòu)為密實(shí)組織的試樣 (C1和C7) 具有較好的吸聲性能，且隨著表面組織密實(shí)程度的增加，試樣的吸聲能力也增加 (C7 >C1)；當(dāng)聲波頻率大于3 000 Hz時(shí)，表面組織結(jié)構(gòu)為開(kāi)孔組織的試樣 (C5和C6) 具有較高的吸聲能力，且隨著表面組織開(kāi)孔程度的增加，試樣的吸聲能力變?nèi)?(C5 >C6).

(a) 編鏈+襯緯

(b) 菱形網(wǎng)孔

(c) 六角形網(wǎng)孔

(d) 經(jīng)平絨

圖8　不同表面組織的復(fù)合材料吸聲系數(shù)曲線(xiàn)Fig.8　The sound-absorption coefficient curves of the composites with different surface structures

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因：不同的織物表面組織結(jié)構(gòu)引起織物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而造成了聲波與材料內(nèi)部的摩擦程度也不同，故不同表面組織結(jié)構(gòu)的試樣具有不同的聲波吸收特性.不同的表面組織結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致試樣表面層密度不同，當(dāng)聲波到達(dá)試樣表面層時(shí)，與表層纖維之間的摩擦程度也不同，進(jìn)一步造成了對(duì)聲波吸收的差異.當(dāng)聲波頻率小于1 000 Hz時(shí)，聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，聲波到達(dá)試樣底層，表面組織結(jié)構(gòu)為密實(shí)組織的試樣所具有的纖維體積分?jǐn)?shù)較大，進(jìn)而造成聲波與纖維之間的摩擦也較大，對(duì)聲波的消耗也較大.隨著聲波頻率的增大，聲波波長(zhǎng)變短，聲波穿過(guò)試樣表層進(jìn)入材料內(nèi)部.對(duì)于表面組織結(jié)構(gòu)為開(kāi)孔組織的試樣而言，其內(nèi)部的間隔絲排列要比密實(shí)組織雜亂，這就導(dǎo)致聲波在試樣內(nèi)部與間隔絲之間的接觸摩擦機(jī)會(huì)增大，進(jìn)而通過(guò)摩擦生熱對(duì)聲波消耗.

3.2.4復(fù)合材料、間隔織物及聚氨酯泡沫吸聲系數(shù)的對(duì)比

為了探討復(fù)合材料、間隔織物以及聚氨酯泡沫3者之間吸聲性能的差異，選取了2種復(fù)合材料 (C1和C4) 、2種間隔織物 (S1和S4) 以及一種與試樣C4具有相同厚度的聚氨酯泡沫板進(jìn)行吸聲性能測(cè)試，對(duì)比結(jié)果如圖9所示.

圖9　復(fù)合材料、間隔織物及聚氨酯泡沫吸聲系數(shù)的對(duì)比Fig.9　Sound absorption coefficient for composites, spacer fabrics and polyurethane foam

圖9表明：復(fù)合材料呈現(xiàn)出共振吸聲材料的特性，即在特定的聲波頻率，材料的吸聲系數(shù)達(dá)到最大值，而在其他聲波頻率范圍內(nèi)吸聲系數(shù)均降低；間隔織物呈現(xiàn)出多孔吸聲材料的特性，即材料的吸聲性能隨著聲波頻率的增大而增大.復(fù)合材料和間隔織物呈現(xiàn)出不同的吸聲特性，這是由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同而導(dǎo)致對(duì)聲波吸收機(jī)理的不同.聚氨酯泡沫板呈現(xiàn)出與復(fù)合材料相似的吸聲特性，但其吸聲能力低于復(fù)合材料.

通過(guò)圖9還可知，復(fù)合材料具有優(yōu)異的聲波吸收特性，且其吸聲性能優(yōu)于間隔織物與聚氨酯泡沫吸聲性能的疊加.出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因有以下幾點(diǎn)：(1)復(fù)合材料增加了聲波與材料之間的摩擦，從而消耗更多的聲波能量；(2)由于復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)松軟、多孔，空氣中聲波的振動(dòng)更容易穿過(guò)材料表面進(jìn)入材料內(nèi)部，因此復(fù)合材料可以更有效地將聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能以消耗更多的聲波能量；(3)在復(fù)合材料制備過(guò)程中，空氣的混入使材料的內(nèi)部出現(xiàn)一些空洞，這些空洞的存在增加了材料與聲波之間的摩擦，進(jìn)一步消耗了聲波能量.

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料在100～6 300 Hz 的聲波范圍內(nèi)的吸聲性能進(jìn)行了測(cè)試分析.結(jié)果顯示，經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料具有優(yōu)異的吸聲特性，尤其是在聲波頻率小于3 000 Hz 的范圍內(nèi).經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料的吸聲性能有明顯的影響，說(shuō)明可以通過(guò)改變織物結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)調(diào)整復(fù)合材料的吸聲性能以滿(mǎn)足實(shí)際工程的使用需求.

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文章編號(hào)：1671-0444(2016)03-0332-06

收稿日期：2015-10-26

作者簡(jiǎn)介:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11462016) 陳思(1985—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，講師，博士，研究方向?yàn)獒樋椊Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料. E-mail:ansn9119@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TS 186.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Preparation of Polyurethane-Based Composites Reinforced with Warp-Knitted Spacer Fabrics and Their Sound-Absorption Behaviors

CHENSi1,GAOXiao-ping1,LONGHai-ru2

(1. College of Light Industry and Textile, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080, China；2. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Seven kinds of polyurethane-based composite samples were prepared by impregnating the warp-knitted spacer fabrics varying structural parameters with flexible polyurethane foam. The sound-absorption test was carried out to investigate the influence of fabric structure parameters including the lapping movements of spacer yarns, thickness and surface structure on the sound-absorption behaviors by using an impedance tube. The test results show that the composites possess excellent sound-absorption behaviors and their properties can be adjusted by varying the fabric structural parameters.

Key words:warp-knitted spacer fabrics; polyurethane foam; sound-absorption behaviors