废弃纤维吸声复合材料的制备及性能

吕 丽 华，　毕 吉 红，　史 俊 辉，　程 慧 静，　左 　 敏

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连　116034 )



废弃纤维吸声复合材料的制备及性能

吕 丽 华，毕 吉 红，史 俊 辉，程 慧 静，左 敏

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连116034 )

摘要:分别以废弃麻纤维和废弃聚氨酯为增强材料和基体材料，添加金属铁粉，以共混塑炼-热压法制备复合材料，并以复合材料和丙纶毡复合制备多层复合结构吸声材料。结果表明，随着丙纶毡层数的增加，多层复合结构材料的吸声系数随之升高。当丙纶毡为4层时，在高频时吸声系数可达到1。多层复合结构材料的吸声性能受组合方式影响较大，当丙纶毡层数相同，若表面阻抗与空气阻抗匹配，吸声系数较大；反之，吸声系数较小。

关键词:废弃纤维；吸声性能；复合材料

0引言

我国是生产和使用纺织纤维的大国。据统计，我国每年排出2 000万t左右与纤维有关的废弃物[1-3]。不仅造成资源浪费，对环境产生的污染也越来越严重，还暗藏火灾的隐患。如何将这些废弃纤维加以回收利用已迫在眉睫[4-5]。另一方面，噪音已成为继空气污染、水质污染之后又一个影响人们生活安全的污染源[6-7]。噪音不仅严重危害人类的身体健康；而且会加速材料的老化，影响设备及仪表的精度和使用寿命。鉴于此，各国政府和科研工作者致力于研究噪音控制[8-10]。目前，综合性能优异的高分子吸声材料获得了广泛应用。高分子聚合物由于具有优良的黏弹性和内阻尼特性，有利于将阻尼与其他吸声机制融于一体，从而改善材料的吸声性能[11-13]。

本实验制备了多层复合结构吸声材料,并研究其吸声性能，以期提供低成本原料制备的吸声复合材料，带来良好的经济效益；并能够节约资源，减少废弃纤维对环境的污染，满足环保的要求。

1实验

1.1原料和仪器

废弃聚氨酯，废弃麻纤维，铁粉，丙纶毡。

SJK-180双辊塑炼机，武汉怡扬塑料机械有限公司；QLB-50D/QMN压力成型机，江苏无锡中凯橡塑机械有限公司；SW422、SW477驻波管/阻抗管吸声隔音测试系统，北京声望公司。

1.2吸声复合材料的制备

1.2.1复合材料的制备工艺参数

废弃麻纤维长度12 mm，废弃麻纤维质量分数为30%，热压温度180 ℃，铁粉质量分数为18%，热压压力10 MPa，热压时间10 min，材料厚度6 mm。

1.2.2吸声复合材料的制备

(1)利用ANSYS二次开发成果对薄壁空心高墩结构的温度场和温差效应进行计算分析，快速方便，结果合理，可为空心墩结构设计提供参考。

1.2.2.1丙纶毡性能参数

平方米克重，500 g/m2；厚度，2.1 mm；破裂强度，2.10 MPa；断裂伸长率小于35%。

1.2.2.2吸声复合材料的制备

将制备出的复合材料分别与1，2，3，4层丙纶毡以不同的组合方式，如图1所示，用黏合剂黏结，制备多层复合结构吸声材料。黑色块代表复合材料，白色块代表丙纶毡。

1.3检测指标

吸声性能用吸声系数的大小来评价，由SW422/SW477型驻波管/阻抗管吸声隔音测试系统测试。

2结果与讨论

2.1多层复合结构材料的吸声性能

按照图1不同的组合方式制备的14种多层复合结构材料的吸声系数测试结果如表1所示。由表1可知，制备的多层复合结构材料的吸声系数较高，部分频率下的吸声系数可达1，即材料有良好的吸声性能。通常采用频率为125，250，500，1 000，2 000，4 000 Hz下，6个吸声系数的平均值作为材料的吸声系数[15]。通过计算，14种多层复合结构材料的吸声系数分别为：0.165，0.245，0.260，0.305，0.368，0.237，0.292，0.437，0.510，0.243，0.298，0.532，0.565，0.582。除了第1种组合外，吸声系数都大于0.2，满足吸声材料的要求。当材料达到5层时，吸声系数大于0.5，即为理想吸声材料。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(k)

(l)

(m)

(n)

图1　多层复合结构吸声材料组合图

表1　14种多层复合结构材料的吸声系数

2.2组合方式对多层复合结构材料吸声性能的影响

为了研究层数相同时，不同组合方式对材料吸声性能的影响，分别将双层、3层、4层和5层复合结构材料的吸声系数作图，吸声系数曲线分别如图2～5所示。

2.2.1双层复合结构材料的吸声性能

图2为2种双层结构材料吸声系数的曲线图。由图2可知，在中低频时，b的吸声系数大于a；而在高频时，a的吸声系数大b。这是因为丙纶毡属于多孔材料，具有优异的吸声性能。而废弃麻纤维/聚氨酯复合材料属于硬质材料，隔音性能较好。a是丙纶毡靠近声源，当声波入射到双层复合结构材料，首先是接触到丙纶毡，先由作为吸声材料的丙纶毡吸收大部分声波。透过丙纶毡的声波接触到作为隔音材料的废弃麻纤维/聚氨酯复合材料，因其隔音性能较好，声波大部分被反射到丙纶毡上。如此反复，所以此双层结构材料吸收的声波多，即吸声系数高。b是废弃麻纤维/聚氨酯复合材料靠近声源，入射的声波大部分直接被反射。所以其吸收的声能少，即吸声系数低。因此，在高频区域，a的吸声系数大于b；但在中低频，由于双层结构材料中靠近声源是废弃麻纤维/聚氨酯复合材料比丙纶毡的表面阻抗与空气阻抗更匹配，所以b的吸声系数大于a。

图2　双层复合结构材料吸声系数曲线

2.2.23层复合结构材料的吸声性能

图3为3种3层结构材料吸声系数的曲线。在低频时，吸声系数由大到小依次为c，d，e。即废弃麻纤维/聚氨酯复合材料越靠近声源，吸声系数越大。这是因为c与d相比，c的表面阻抗与空气阻抗更匹配。而在中高频时，e大于c和d。在中高频时，e的吸声系数高，原理与“2.2.1”相同。c和d的曲线呈现交错上升趋势，即这两种排列方式对吸声系数的影响不大。

图3　3层复合结构材料吸声系数曲线

2.2.34层复合结构材料的吸声性能

4层复合结构材料的吸声系数曲线图如图4所示。可以看出，在低频时，4种结构材料的吸声系数大致相同。即在低频时，4种排列方式对吸声系数的影响不大。但在中高频时，i的吸声系数大大增加，且在高频时接近1，具有优异的吸声性能。即前3层为丙纶毡，第4层为废弃麻纤维/聚氨酯复合材料这种组合方式，复合结构材料的吸声性能好，是理想的吸声材料。h的吸声系数也较高，f和g的吸声系数较低且呈交错上升趋势。说明当丙纶毡为3层时，不同的组合方式对吸声性能影响较大。

图4　4层复合结构材料吸声系数曲线

2.2.45层复合结构材料的吸声性能

5层复合结构材料的吸声系数曲线如图5所示。可以看出，当丙纶毡达到4层时，l、m、n 3种复合结构吸声系数较高，中高频时甚至达到1；而j和n的吸声系数较低。即当废弃麻纤维/聚氨酯复合材料夹在中间时，吸声性能好。当废弃麻纤维/聚氨酯复合材料靠近声源和远离声源时，组合形成的5层复合吸声结构的阻抗不匹配，因此吸声性能较差。

图5　5层复合结构材料吸声系数曲线

3结论

废弃纤维吸声复合材料的吸声性能与诸多因素有关。本实验仅从复合材料与丙纶毡以不同方式组合,研究了不同多层复合结构材料的吸声性能。结果表明，随着丙纶毡层数的增加，多层复合结构材料的吸声系数随之升高。当材料达到5层时，吸声系数可大于0.5，即为理想吸声材料。当丙纶毡层数相同, 组合形成的复合吸声结构表面阻抗与空气阻抗匹配时，吸声性能较好；反之，吸声性能较差。

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Fabrication and sound absorption properties of composites based on abandoned fibers

LYULihua,BIJihong,SHIJunhui,CHENGHuijing,ZUOMin

( School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:The abandoned jute fibers and polyurethane were used as reinforced materials and matrix materials, respectively, and the method of blending and hot pressing molding was used to fabricate composites adding iron powder. Jute/polyurethane composite was combined with the polypropylene fiber mat layer to prepare multi-layer composite sound absorption structure. The results showed that the sound absorption coefficient of the multilayer composite sound absorption structure was increased with the polypropylene fiber mat layer. When the polypropylene fiber mat was 4 layers, the absorption coefficient could reach to 1 at high frequency. The sound absorption property of multi-layer composite sound absorption structure was influenced by combination. When the polypropylene fiber mat layers were the same, the sound absorption coefficient was larger if the surface impedance and air impedance was matched. Otherwise, the sound absorption coefficient was smaller.

Key words:abandoned fibers; sound absorption property; composites

中图分类号:TS102.9

文献标志码:A

作者简介:吕丽华(1978-)，女，副教授.

基金项目:辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(LJQ2012047).

收稿日期:2014-10-21.

文章编号:1674-1404(2016)02-0115-04