纬编间隔织物及其吸声性能的研究

周甘霖 李红霞 (天津工业大学纺织学部，天津，300387)

噪声污染已成为当今世界性环境问题，同水污染和大气污染一起被称为三大污染［1］。一方面，噪声危害人们的听力系统，影响身心健康，干扰人们正常的工作、学习和休息;另一方面，当噪声特别大时，会损伤仪器设备和建筑结构，影响其使用年限。纺织材料疏松、多孔的特性适合用作吸声降噪材料，已有大量应用。目前对于纺织材料吸声性能的研究主要集中于非织造材料，但是采用非织造技术生产的纺织品外观设计比较困难，影响非织造吸声材料的使用范围。相比而言，针织技术可以生产出具有一定花型的吸声织物，并具有很好的悬垂性和全成型性，但针织物稀薄时吸声性能较差。因此，为了提高吸声性能，应加大针织物的密度和厚度［2-3］。纬编间隔织物是采用纬编针织技术，用纱线或织物连接生产的两块独立织物。相比经编间隔织物，其编织工艺简单、设计灵活，可以全成型编织。由于纬编间隔织物结构的特殊性，它不仅具有良好的透气性、抗压弹性、导湿吸湿性、抗老化性、抗水洗性等，还具有良好的吸声效果。

1 纺织纤维的吸声机理

纺织纤维织物结构疏松、多孔，有摩擦接触点。当声波经过织物时，纤维孔隙内的空气衰减声波;同时纤维的孔隙结构促使声波反射和振动，引起纤维及纱线的机械振动，使得部分声能转化成热能，造成声能减弱。高频声波加快了空气质点的振动速度，加速纤维孔隙内的空气与环境热交换的进行，也加快了纤维及纱线的振动，使声能衰减。因此纺织纤维具有良好的高频吸声性能［4-6］。

材料吸收的声能与入射到材料上的总声能之比叫吸声系数(α)，其计算式如式(1)所示。

式中：Ei——入射声能;

Ea——被材料或结构吸收的声能;

Er——被材料或结构反射的声能;

r——反射系数。

吸声系数α的值为0～1，α＞0.2的材料被认为具有吸声使用价值;α越大，说明纤维材料的吸声效果越好。间隔织物的吸声性能通常采用驻波管法测量。

2 纬编间隔织物的编织生产工艺

纬编间隔织物的生产可采用圆机和横机(包括两个系统的织针，且织针是带有可变化的针踵针)。纬编间隔织物编织时，两片独立的织物和中间层可以选用不同的原料或同一种原料。目前国际上的纬编间隔织物较多采用横机生产。研究［7-8］表明，在纬编间隔织物的编织过程中，上针盘与下针筒之间的距离(或前后针床之间的距离)、弯纱深度、给纱张力、牵拉张力等参数对织物的正常编织起着非常重要的作用。此外，纱线种类和织物结构，以及织物的后整理对间隔织物的性能也有重要的影响。

2.1 圆机编织生产

圆机编织的间隔织物具有以下优点［7］：织物的纵横向都具有弹性;通过选针进行提花编织，织物花型图案更加丰富多彩;根据需求品种变化较快，生产效率较高。目前编织的间隔织物厚度一般为1.5～5.5 mm。生产圆型纬编间隔织物时，针盘和针筒均采用高低踵针。两片独立织物的常用连接方式有两种：一种是连接纱在针筒针和针盘针上都集圈，此方法要求在圆机的两个针床上均进行集圈，这种集圈方式不仅可以确保连接纱正确地位于织物内，以连接两片独立的织物，而且还使得连接纱连接到织物中，从而减小织物的手感粗糙度;另一种是连接纱在针盘针上编织而在针筒针上集圈。例如连接纱在同一系统的针盘针和针筒针上集圈，6个成圈系统编织纬编间隔织物时，其方式可以为［9］：在第1、第4路，连接纱在针筒和针盘的低踵针或高踵针上集圈;在第2、第5路，编织反面的纱线在针盘低踵针或高踵针上成圈;在第3、第6路，编织正面的纱线在针筒低踵针或高踵针上成圈。

2.2 横机编织生产

横机编织间隔织物时，通常可以用纱线或者织物来连接两片独立的表层织物。当用纱线连接两片独立织物时，受前后针床距离限制，编织的间隔织物厚度比用织物层连接的小。当用织物层连接两片独立织物时，织物层与织物所成角度不同，有垂直的、倾斜的或其他形式的。为了提高间隔织物的强度，通常需要使用多功能电脑横机，可以进行选针、移圈、针床横移等来满足设计要求。多功能电脑横机可编织具有一定厚度和所要求形状的三维全成型间隔织物的外层和交连层，常见的有球体、盒体、锥体、管状、三通和凹凸结构［10-11］。例如编织矩形芯结构的间隔织物如图1所示［11］，其编织步骤如下：

(1)编织两块独立的织物F1和F2，用间隔针在两个针床上分别编织，织物长度n1根据需要而定;

(2)用前针床的全部织针编织一行连接线圈C1;

(3)使用前后针床上的交替针编织连接织物层L，织物长度n2根据间隔织物的厚度需要而定;

(4)将连接织物L的最后一行线圈C2移到后针床的针上，在该针床上编织完第一步，然后开始下一编织循环。

图1 横机生产间隔织物的编织图

3 纬编间隔织物的吸声性能

3.1 纬编间隔织物的吸声原理及研究现状

纬编间隔织物是纤维的集合体，其吸声原理如图2所示［12］。当声波入射到织物表面时，一部分透射到织物内部，由于纺织材料多孔，纤维内滞留的空气对声波起着滤波作用，衰减高频声波;同时间隔织物夹层纤维孔隙中的静止空气与纤维产生力的作用(如摩擦力、黏滞力)而产生热能，使得部分声能被吸收;此外，声波与织物发生受迫弯曲和波动，在纤维材料内传播。这些方式都损耗声能，剩余的声能则透出织物，另一部分声波则在织物表面反射。

图2 织物吸声原理示意图

TILAK等［3］研究了纬编间隔织物的吸声性能，该织物结构为两片独立的平针织物，连接层为复丝，通过复丝集圈连接两片独立织物。试验得出：随着纬编间隔织物孔隙和密度的降低，织物的吸声性能提高，且织物密度对吸声性能的影响比厚度更重要;当声波频率高于2 000 Hz时，表层使用普通复丝编织的间隔织物具有较好的吸声效果;当表层改用棉氨包芯纱时，织物可降低1 000～2 000 Hz的噪声。胡红等［13］把复丝连接上下两层的纬编间隔织物和单丝连接上下两层的网孔间隔织物组合制得吸声织物，试验得出：该材料在低频且宽频范围有较好的吸声效果;间隔织物的吸声性能受织物表面结构、厚度、连接纱种类及连接方式的影响。陈小燕等［14］选用的织物以锦氨包芯纱作为间隔纱，试验得出：当增加织物厚度后，随着间隔纱隔针数的增大织物的吸声系数提高;当增加编织表面织物的弯纱深度，织物表层密度变小使得流阻减小，因而吸声系数减小;当织物厚度增加，提高间隔纱线密度使得流阻增加，吸声系数增加。纬编间隔织物吸声系数的提高可通过增加织物厚度(减小编织表层织物时线圈的弯纱深度、提高间隔纱线密度)、增加间隔针针数和减小织物表面孔隙率来实现。

3.2 纬编间隔吸声织物的应用

纬编间隔织物的吸声性能与织物结构有关，包括厚度、表层孔隙率、体积质量，还与选用的原料和织物后整理相关。在设计织造纬编间隔吸声织物时，应根据实际需要综合考虑。例如设计纬编间隔织物时可采用一面紧密、一面稀松的方法，当声波入射到稀松表层后，经过间隔层从紧密层透出，声波得到衰减，从而达到吸声效果［15］。

间隔织物在吸声方面应用的最大领域是汽车。在汽车结构中需使用吸声材料的部位有发动机罩、车顶罩、座椅和内饰件。传统的汽车吸声材料如海绵、铝箔复合材料、棉毯、毛毡都存在或多或少的问题，如不能同时满足隔声、吸声、防震的要求，或自重大，或不耐水，或无阻燃性能等［16］。纬编间隔织物经过选用合适的原料、结构及后整理，不仅能够满足吸声隔声的要求，而且具有很好的压缩弹性、透气透湿性、结构稳定性、可回收性的特点，还可以达到耐水、阻燃、减震等效果。此外，可开发带有花纹图案的间隔织物，在满足车内装饰需求的同时，还能给消费者提供舒适的乘车环境，生产的织物质量轻，节约成本。

在装饰领域，间隔织物具有较好的吸声隔声性、结构整体性和成型性［17］，可用于装饰室内墙壁和天花板，不仅可以美化居室，还可以吸收声波;同时还能保持室内光线明亮，给人们营造良好的居住环境。此外，纬编间隔织物的成型性可以减少在使用中的裁剪次数，有利于贴附在墙壁和天花板上。

4 结语

纬编间隔织物的编织生产工艺简单，可设计性强。圆机生产可选针进行提花编织，花型图案丰富多彩;横机特别适合编织三维全成型间隔织物。纬编间隔织物特有的结构使得其具有较好的吸声性能。目前我国汽车和房地产行业处在高速发展阶段，为纬编间隔织物的应用提供了广阔市场。随着纺织新材料、针织新技术和织物后整理新方法的不断应用，纬编间隔织物的使用范围将更加广泛。

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