纖維參數(shù)對(duì)聚酯纖維板吸聲性能的影響研究 *

李 濤，何宇辰，姚智敏，蔡 俊，李 華

(1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，合肥 230022； 2. 上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；3.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的追求不斷提升，噪聲污染問題越來(lái)越受到了重視[1-2]。由于長(zhǎng)期處于噪聲環(huán)境下，容易使人疲憊和煩躁，甚至產(chǎn)生聽力和心血管疾病[3-4]。為此，噪聲污染控制措施被廣泛用于各種降噪場(chǎng)所，比如高速公路兩側(cè)的聲屏障、屋頂空調(diào)機(jī)組的消聲百葉、噪聲設(shè)備的隔聲罩等[5]。但由此也對(duì)噪聲控制材料提出了更高的需求。

聚酯纖維是由對(duì)苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿岫柞ゼ耙叶冀?jīng)過(guò)縮聚、紡絲而成。聚酯纖維吸聲板是一種典型的多孔吸音材料，吸聲效果較好[6]，其材料內(nèi)部有大量微小且連通的孔隙，聲波沿著這些孔隙傳播到材料內(nèi)部，與纖維表面發(fā)生摩擦作用，聲能被轉(zhuǎn)化為熱能而消耗[7-8]。因此，吸聲性能受材料厚度、密度、背后空腔深度及空氣流阻率等多方面的影響[9]。彭立民等[10]研究發(fā)現(xiàn)流阻率對(duì)木質(zhì)纖維/聚酯纖維復(fù)合材料的吸聲性能有明顯影響，流阻率過(guò)高過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致吸聲系數(shù)的下降。Yuxia Chen等[11]利用聚酯纖維與廢棄絲瓜屑作為原料，通過(guò)熱壓法制備得到復(fù)合纖維吸聲材料，結(jié)果表明，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)隨著材料密度、厚度和背后空腔深度的增加而增加。M. Kucuk等[12]研究了物理參數(shù)對(duì)無(wú)紡布吸聲性能的影響，材料厚度的增加使得流阻率的降低和單位面積內(nèi)纖維量的增加，導(dǎo)致了材料吸聲性能的提高。上述研究都是從材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的角度開展的，而從纖維參數(shù)的角度開展研究未見報(bào)道。

為此，本研究以不同纖維參數(shù)的聚酯纖維為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)制備不同纖維參數(shù)的聚酯纖維板，系統(tǒng)地探究纖維截面形狀、纖維細(xì)度和纖維長(zhǎng)度對(duì)聚酯纖維板吸聲性能的影響程度，并采用響應(yīng)面法進(jìn)一步優(yōu)化聚酯纖維參數(shù)，從而為今后優(yōu)良吸聲性能的聚酯纖維板制備提供參考和依據(jù)。

1 纖維多孔材料的吸聲理論模型

眾所周知，纖維是構(gòu)成纖維吸聲材料的主要原料，纖維參數(shù)的差異會(huì)不同程度地影響纖維材料的吸聲性能。在目前常用的多孔吸聲材料預(yù)測(cè)模型中，Johnson-Champoux-Allard模型是纖維多孔材料最常用的吸聲性能預(yù)測(cè)模型。模型預(yù)測(cè)需要用到的粘滯特征長(zhǎng)度Λ和熱特征長(zhǎng)度Λ′這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，均是通過(guò)將纖維細(xì)度和單位體積材料纖維總長(zhǎng)度帶入以下式(1)～(3)來(lái)計(jì)算獲得的[13]。

L=4ρ1/πd2ρm

(1)

(2)

Λ′=2Λ

(3)

其中，L是材料單位體積的總有效長(zhǎng)度，d是纖維直徑，ρ1和ρm分別表示樣品和材料的體積密度。

從上面的理論預(yù)測(cè)模型可以得到，纖維細(xì)度和長(zhǎng)度的差異會(huì)導(dǎo)致材料吸聲性能的差異。而相對(duì)于傳統(tǒng)圓形截面纖維，異形截面纖維的纖維細(xì)度和長(zhǎng)度變化對(duì)吸聲性能的影響規(guī)律未見研究報(bào)道，需進(jìn)一步系統(tǒng)分析。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

(1)試驗(yàn)選用的聚酯纖維原材料相關(guān)參數(shù)見下表1。

表1 聚酯纖維參數(shù)表

上述異形聚酯纖維的截面形狀由光學(xué)顯微鏡實(shí)測(cè)得到，如圖1所示。

圖1 異形纖維截面形態(tài)的光學(xué)顯微圖Fig 1 Shape of fiber section under optical microscope

(2)低熔點(diǎn)纖維：熔點(diǎn)110～135 ℃，主要作用是利用其熔點(diǎn)低的特點(diǎn)使其在吸音板熱壓過(guò)程中熔化充當(dāng)聚酯纖維原料粘結(jié)劑[14]。

2.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

LP-S-50型平板壓機(jī)：泰國(guó)Labtech工程公司；BSWA SW422 490181型阻抗管：北京聲望聲電技術(shù)有限公司；Olympus BX 43 熒光正置顯微鏡：奧林匹斯(中國(guó))有限公司。

2.3 聚酯纖維板的制備

(1)混合開松。將聚酯纖維、低熔點(diǎn)纖維按照質(zhì)量比1∶1稱取原料進(jìn)行混合和開松處理，使得兩種纖維得以均勻分布。

(2)梳理鋪裝。將開松后的纖維集合體進(jìn)一步梳理松解，處理成較薄的纖維層。根據(jù)試驗(yàn)所需的容重參數(shù)，對(duì)纖維層進(jìn)行裁剪并疊加至所需容重對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，然后鋪裝進(jìn)加工模具。

(3)熱壓制樣。將裝有纖維層的模具放入平板壓機(jī)中，熱壓溫度180 ℃，熱壓時(shí)間為8 min。熱壓結(jié)束后，連同模具取出后冷卻至室溫既得試驗(yàn)樣品。制得的試樣體積密度均為150 kg/m3左右，厚度為8 mm左右。

2.4 吸聲性能測(cè)試方法

本研究的吸聲性能采用阻抗管測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)GB/T 18696.2—2002《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量第2部分：傳遞函數(shù)法》進(jìn)行測(cè)量[15]。將制備得到的聚酯纖維材料分別按照測(cè)試儀器樣品截面要求裁剪成直徑為100 mm(測(cè)試頻率為80～1 600 Hz)和30 mm(測(cè)試頻率為1 600～6 300 Hz)的圓形試樣。將需測(cè)試的試樣置于駐波管一端，試樣與管壁處無(wú)縫隙。每個(gè)試樣測(cè)量3遍取平均值，測(cè)試范圍為80～6 300 Hz。

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維截面形狀對(duì)聚酯纖維吸音材料吸聲性能的影響

選用纖維細(xì)度均為3 D，纖維長(zhǎng)度為51 mm的圓形、扁平、三角、十字形4種不同截面形狀的聚酯纖維，情況下制備的8 mm聚酯纖維板(實(shí)貼)的吸聲曲線，如圖2所示。

圖2 不同截面形狀的聚酯纖維吸聲材料吸聲系數(shù)曲線Fig 2 The influence of different section shape on absorption coefficient

圖2為不同截面形狀的聚酯纖維吸聲板(8 mm厚，實(shí)貼，纖維細(xì)度為3 D)的吸聲系數(shù)曲線。由圖中可知，在低頻階段，纖維材料的吸聲系數(shù)整體較小，相互差異不大。當(dāng)頻率超過(guò)300 Hz，纖維材料的吸聲系數(shù)逐漸提高，異形截面(十字形、三角形與扁平形)聚酯纖維板的吸聲系數(shù)明顯高于圓形聚酯纖維的吸聲系數(shù)，其中扁平形的吸聲系數(shù)最大。這是由于與圓形截面相比，異形纖維的截面形狀特殊，光滑性差，纖維表面的摩擦大。此外，異形纖維材料的比表面積相對(duì)于同質(zhì)量的圓形纖維更大。因此，相同條件下的異形纖維可以提供更多與聲波接觸的面積，聲能在材料內(nèi)部的傳播過(guò)程中與異形纖維表面接觸就會(huì)更多地轉(zhuǎn)化為熱能，從而提高了吸聲系數(shù)[16]。

3.2 纖維細(xì)度對(duì)聚酯纖維吸音材料吸聲性能的影響

選取纖維長(zhǎng)度為51 mm，纖維細(xì)度分別為3、9、16、33、55 D 5種情況下制備的8 mm聚酯纖維板(實(shí)貼)的吸聲曲線，如圖3所示。

圖3 不同纖維細(xì)度的聚酯纖維吸音材料吸聲系數(shù)曲線Fig 3 The influence of different fiber fineness on absorption coefficient

從圖3可以看出，在中低頻范圍，整體吸聲系數(shù)較小，差異并不明顯。但在中高頻范圍，纖維細(xì)度較小的聚酯纖維吸聲性能相對(duì)更好。這是因?yàn)橄嗤闆r下，纖維越細(xì)表示單位面積內(nèi)含有的聚酯纖維根數(shù)越多，聲波進(jìn)入材料內(nèi)部后就會(huì)與纖維表面有更多的接觸機(jī)會(huì)。因此，聲波與材料的摩擦不僅會(huì)增加，而且聲波在材料內(nèi)部的傳播時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)，也就使更多的聲能轉(zhuǎn)換成熱能而耗散掉[17]。

3.3 纖維長(zhǎng)度對(duì)聚酯纖維吸音材料吸聲性能的影響

選取纖維細(xì)度為9 D，纖維長(zhǎng)度分別為51、65、72 mm 3種情況下制備的8 mm聚酯纖維板(實(shí)貼)吸聲曲線如圖4所示。

圖4 不同纖維長(zhǎng)度的聚酯纖維吸音材料吸聲系數(shù)曲線Fig 4 The influence of different fiber lengths on absorption coefficient

從圖4中可以看出，長(zhǎng)度為65 mm的聚酯纖維樣品吸聲效果比51 mm、72 mm的樣品有較小的提高，但三者之間的差別并不顯著。這是因?yàn)槔w維材料的孔隙是由纖維之間交錯(cuò)構(gòu)造而成的，盡管纖維長(zhǎng)度不同，但對(duì)材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)改變不大。因此，聚酯纖維的長(zhǎng)度對(duì)材料的吸聲效果影響不明顯。

3.4 纖維參數(shù)的響應(yīng)面法優(yōu)化分析

基于上述研究結(jié)果，本研究采用Design Expert優(yōu)化軟件對(duì)纖維參數(shù)進(jìn)一步開展了響應(yīng)面法優(yōu)化分析。由于多孔纖維板背后留空腔的整體吸聲性能較高[18]，有利于參數(shù)的優(yōu)化分析，因此本研究以8 mm聚酯纖維板后留20 mm空腔的吸聲系數(shù)為參量，選取纖維細(xì)度、纖維長(zhǎng)度作為因素展開兩因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，本研究選取了纖維細(xì)度9 D、纖維長(zhǎng)度65 mm為中心試驗(yàn)點(diǎn)，以此確定兩因素水平的設(shè)計(jì)范圍(表2)。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化分析的因素和水平

利用Design Export軟件針對(duì)表3的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到吸聲系數(shù)與各因素變量的方程模型如下：

表3 響應(yīng)面優(yōu)化分析的相關(guān)數(shù)據(jù)

y=0.43-0.077A-5.35×10-3B-7×10-4AB+0.031A2-0.035B2

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。由表4知，纖維細(xì)度對(duì)吸聲系數(shù)有顯著影響。失擬項(xiàng)P值為0.8906>0.05，表明回歸模型擬合情況良好，可用于聚酯纖維板制備材料參數(shù)的分析和預(yù)測(cè)。

表4 回歸模型的方差分析結(jié)果

為此，研究擬合繪制了響應(yīng)曲面圖，見圖5。響應(yīng)曲面的陡峭程度可以反映因素作用顯著與否，當(dāng)因素作用顯著時(shí)，響應(yīng)面坡度陡峭[19-21]。圖5表現(xiàn)出隨著纖維細(xì)度的改變，響應(yīng)面變化陡峭，說(shuō)明纖維細(xì)度對(duì)聚酯纖維板吸聲系數(shù)影響顯著，這與上面的顯著性分析結(jié)果一致。

圖5 纖維細(xì)度與纖維長(zhǎng)度的響應(yīng)曲面Fig 5 Response surface of fiber fineness and fiber length

從圖5中可以得到，最優(yōu)平均吸聲系數(shù)為0.5424，其最佳材料參數(shù)為纖維細(xì)度3 D、纖維長(zhǎng)度61 mm。考慮到實(shí)際可操作性，最終確定的材料參數(shù)為：纖維細(xì)度3 D、纖維長(zhǎng)度65 mm。8mm厚聚酯纖維板后留20 mm空腔的吸聲系數(shù)均值為0.54，與理論預(yù)測(cè)值十分接近。

4 結(jié) 論

根據(jù)纖維多孔材料的吸聲理論模型，纖維參數(shù)(纖維截面、纖維細(xì)度和纖維長(zhǎng)度等)會(huì)影響纖維材料的吸聲性能。為此，本研究以不同纖維參數(shù)的聚酯纖維板為研究對(duì)象，通過(guò)吸聲性能阻抗管測(cè)試來(lái)進(jìn)一步分析纖維參數(shù)對(duì)纖維材料的影響規(guī)律，并采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到了最佳吸聲性能的聚酯纖維參數(shù)。研究結(jié)果表明：(1)異形聚酯纖維的吸聲性能在中頻階段均優(yōu)于普通圓形聚酯纖維，纖維細(xì)度小的聚酯纖維吸聲性能相對(duì)更好，而纖維長(zhǎng)度對(duì)吸聲性能影響不明顯；(2)當(dāng)纖維截面為扁平，纖維細(xì)度3 D、纖維長(zhǎng)度65 mm，在此參數(shù)條件下制備的8 mm聚酯纖維板后留20 mm空腔的平均吸聲系數(shù)最佳，達(dá)到0.54。本研究成果為異形截面纖維的聲學(xué)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，也為聚酯纖維材料的高附加值使用提供了依據(jù)。