瞿菁霞++丁心华

摘要：

本研究以苎麻纤维和棉纤维为原料，采用针刺非织造加工工艺，制备麻/棉非织造吸声材料，研究测试不同麻棉配比、不同针刺工艺参数对材料吸声性能的影响。结果表明：在所制备的麻/棉非织造复合材料中，麻纤维含量为30%，针刺密度为150刺/cm2以及較大针刺深度的较厚材料时，材料对中高频的声波吸声性能好。

关键词：麻/棉复合材料；非织造材料；针刺；吸声性能

1 引言

随着社会工业化、现代化程度的不断提高，噪声污染越来越严重，已经与水污染、大气污染一起，被称为全球三大污染[1，2]。噪声不仅会影响人们的正常休息、学习和工作，影响人们的身体健康，还会加速各种材料的老化，缩短材料的使用寿命[3-5]。因此，开发吸声降噪的吸声材料来控制噪声污染，是当前各行各业都需要关注的问题。吸声材料一般为内部具有多孔结构、对入射的声波具有吸收作用的材料（如纤维毡、泡沫材料等），或通过共振对入射的声波具有吸收或者反射作用的材料（如薄膜、隔板等）。纤维类吸声材料具有来源广、孔隙度高、吸声性能优良、易加工成型、价格便宜等优点，使其在吸声材料中广泛应用[6，7]。棉、麻等天然纤维由于可再生、可天然降解、绿色环保以及具有天然的植物空腔、较高的强度、较低的价格等在吸声材料中受到青睐[8-10]。非织造纤维材料作为一种柔性、多孔隙的吸声材料，吸声系数范围宽，同时具有质量轻、可循环使用、经济环保等优点，对高频率声波吸收效果好，现已被广泛用作吸声材料[11-15]。非织造吸声材料的吸声性能不仅与纤维材料本身的结构、性能有关，还与其加工工艺关系密切。

本文以麻纤维和棉纤维为原料制备针刺非织造材料。通过改变纤维配比、针刺密度、针刺深度以及材料厚度等因素，研究针刺工艺及不同材料混合比对麻/棉非织造复合材料吸声性能的影响。

2 试验部分

试验材料：麻纤维（市售苎麻），平均线密度6.83dtex，断裂强度6.95cN/dtex，断裂伸长率4.67%；棉纤维（市售细绒棉），平均线密度1.74dtex，断裂强度2.98cN/dtex，断裂伸长率6%。

试验设备及仪器如表1所示。

制备工艺流程如图1 所示。

3 吸声性能测试

本试验选用北京声望声电技术有限公司生产的SW463型吸、隔声测试仪测试吸声性能，驻波管内径为100mm，其测量频率为250Hz～6300Hz。其中，500Hz以下是低频声，500Hz～2000Hz是中频声，2000Hz以上是高频声。选用传递函数法的阻抗管法测试材料的吸声系数，测试过程参照标准GB/T 18696.2—2002《阻抗管吸声系数和声阻抗的测量》[16]。当声波入射到材料表面时，一部分被材料表面的纤维立刻反射，另一部分进入纤维间空隙逐渐被吸收。吸声系数是声波入射到材料表面时，其能量被吸收的百分数，即被吸收的声能与入射的声能之比[17]。

注：Er——反射声能；Ei——入射声能；Eα——吸声声能；Eτ——投射声能。

传递函数法的基本原理是，通过测量样品前两个传声器之间的传递函数H12可以得到声波的法向反射系数r。传递函数H12为复数，定义式为：

（1）

其中：k0——波数，k0=2πf/c0；p1，p2——分别是两个传声器处的复数声压；x1，x2——分别为两个传声器距离参考面（x=0）的距离；

f—— 声频；c0—— 声速；j—— 虚数单位。

入射声波的传递函数HI和反射声波的传递函数HR，可以通过下式计算：

（2）

（3）

结合公式（1）～（3），可以得到法向反射系数r：

（4）

通过r可以得到吸声系数α的表达式：

α=1-|r|2=1-（rr2+ri2） （5）

式中：rr，ri分别表示r的实部和虚部。

4 结果与讨论

4.1 纤维配比对材料吸声性能的影响

将麻纤维质量百分比按10%、30%、50%、70%、90%五个不同配比与棉纤维进行混合，控制厚度2mm、针刺密度150刺/cm2、针刺深度4mm，制备麻/棉非织造吸声材料。吸声材料的吸声性能测试结果如图2、图3所示。

由图2、图3可知，麻/棉复合材料在中频段麻纤维含量增加吸声系数降低，材料的吸声性能减弱；在高频段具有较好的吸声效果；麻纤维质量分数为30%时，复合材料在高频段吸声性能最好。非织造材料的吸声机理是声波深入三维杂乱纤维孔隙中，引起空气和细小纤维发生机械振动，并通过与空气分子发生摩擦、黏滞阻力及热交换等作用，声能被转变为热能，达到吸声的目的[18]。由于棉纤维较苎麻纤维细而柔软，对高频声波具有很好的吸声效果，而麻纤维模量大，纤维较刚硬，对低频声波有良好的反射，但由于麻纤维刚硬不易变形纠缠，针刺后结构蓬松，空隙较大，而过大的空隙会影响材料的吸声。从而使麻/棉复合材料在高频段吸声效果好，而在中频段吸声效果差。

4.2 针刺密度对材料吸声性能的影响

采用针刺加固工艺，控制麻纤维质量比30%、厚度2mm、针刺深度4mm，改变针刺密度（120刺/cm2、150刺/cm2、180刺/cm2），制备麻/棉非织造吸声材料。吸声性能测试结果如图4、图5所示。

从图4和图5中可以看出，当针刺密度为150刺/cm?时，材料的吸声性能好，针刺密度过大或者过小都不利于材料的吸声。这是因为当针刺密度太小时，材料中纤维缠结不够紧密，整个材料结构比较蓬松，声波容易穿透材料，没有与材料充分接触摩擦；而当针刺密度过大时，纤维之间会产生较大幅度的位移甚至会导致部分纤维发生拉伸断裂，所以使得材料中孔径增大，空洞数目增多，而且会使得同平方米克重下的针刺毡变得紧密而薄[19]，这些情况的存在都不利于提高材料的吸声性能。另一方面，从力学性能来考虑，针刺密度太小，纤维之间没有充分紧密缠结，材料受力作用后，纤网中纤维容易产生相对滑移从而导致其力学性能不佳；当针刺密度过大，纤网中部分纤维会发生不同程度的断裂，因此也会使得材料的力学性能下降，因而会影响材料在使用过程的寿命。endprint

4.3 针刺深度与材料吸声性能的关系

采用针刺加固工艺，麻纤维质量比30%、厚度2mm、针刺密度150刺/cm2，改变针刺深度（3mm、4mm、5mm），制备麻/棉非织造吸声材料。吸声性能测试结果如图6、图7所示。

通常，工程上认为吸声系数大于0.20的材料为吸声材料，大于0.56的材料为高效吸声材料[20]。当噪声频率在中频段1000Hz～1600Hz的范围时，针刺深度为5mm的材料表现出优良的吸声性能，吸声系数达到0.2以上。当噪声频率在高频段3000Hz～6300Hz，针刺深度为5mm时，材料的吸声系数达0.56以上，已经达到高效吸声材料的指标。图7中，当声波频率5000Hz以上针刺深度5mm的材料吸声性能略有下降，主要是由于纤维纠缠紧密，材料的孔径变小、孔隙率降低，从而导致吸声性能略有降低。

4.4 材料厚度与材料吸声性能的关系

采用针刺加固工艺，麻纤维质量比30%、针刺密度150刺/cm2、针刺深度5mm，改变材料厚度（2mm、4mm、6mm、8mm），制备麻/棉非织造吸声材料，吸声性能测试分析如图8、图9所示。

由图8、图9可知，不管在中频段还是在高频段，材料的吸声性能都随着材料厚度的增加而增大，而且吸声系数几乎随着材料厚度的增加而成倍增大。在中频段，材料的吸声系数随着频率增加几乎成线性增加，因为吸声材料越厚声波在通过时能量消耗越大，转换成内能越多，吸收的声能越大。在高频段，吸声系数先增加而后减小，频率在5000Hz左右时，吸声系数达到最大峰值，达到0.96左右，吸声性能达到最优。由上图还可以看出，在工艺参数分别为麻纤维质量比30%、针刺密度150刺/cm2、针刺深度5mm、材料厚度8mm时，麻/棉非织造吸声材料的吸声系数在中频波段（500Hz～2000Hz）都达到0.2以上，在高频波段（2000Hz以上）都达到0.5以上，已经达到吸声材料的要求。

5 结论

通过改变麻棉纤维配比、针刺密度、针刺深度和材料厚度等工艺参数，制备不同非织造吸声材料，通过吸声性能的测试分析，得出如下结论：

（1）当麻纤维的质量比为30%时，吸声材料对高频段噪声具有很好的吸声效果，但在中频段麻纤维的含量对材料吸声性能的影响不大。

（2）材料吸声性能随着针刺密度先增加后减小，当针刺密度为150刺/cm?时，材料在中频段和高频段下吸声性能好。

（3）在工艺参数分别为麻纤维质量比30%、针刺密度150刺/cm2、针刺深度5mm、材料厚度8mm时，噪声频率在500Hz～6300Hz的范围，都表现出良好的吸声性能。

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（作者单位：南通纤维检验所）endprint