废旧羊毛非织造布的制备及其吸声性能

栾巧丽， 邱 华， 成 钢， 葛明桥

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122;2. 江苏科博世羊毛建材科技有限公司， 江苏 无锡 214208)

废旧羊毛非织造布的制备及其吸声性能

栾巧丽1， 邱 华1， 成 钢2， 葛明桥1

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122;2. 江苏科博世羊毛建材科技有限公司， 江苏 无锡 214208)

为研究废旧羊毛材料的吸声性能，利用非织造布的生产工艺，以废旧羊毛为主要原料，制备一种新型羊毛非织造布。通过使用传递函数法和驻波管法，对羊毛非织造布的吸声性能进行了测试，分析了在声波频率为250～6 300 Hz范围内材料厚度、密度和空腔深度对其吸声性能的影响。结果表明，羊毛非织造布吸声性能优异，对高频的吸声性能优于对低频；在中低声波频率，随材料厚度、密度和空腔深度的增加，其吸声性能越好。材料厚度和空腔深度是影响羊毛非织造材料吸声性能的主要因素；通过增加空腔深度提升材料的吸声性能，是较为经济合理的办法。

羊毛非织造布； 吸声性能； 厚度； 密度； 空腔深度

噪声污染与大气污染、水污染和固体废旧物污染已成为当今社会4大环境污染之一。噪声严重干扰了大众的正常学习、生活和工作。利用多孔吸声材料对噪声进行吸收，是在建筑领域降低室内噪声所采取的主要措施。多孔吸声材料的品种众多，吸声原理基本相同。主要通过声波在材料中的传播从而引起黏性流动损失，材料分子间的相对运动引起内摩擦，将声能转化为热能散失，从而达到吸声效果[1]。

玻璃棉、矿渣棉、岩棉、硅酸铝棉等无机纤维状多孔吸声材料是最为常见的多孔吸声材料。这类材料有良好的吸声、绝热、保温性能，而且有防火、不燃烧、质轻、表观密度小等特点。但是这类材料也存在易折断，易飞扬，易产生固体废旧物，不易降解等缺点，对人和环境会造成污染[2]。

羊毛非织造布以羊毛纺织工业的下脚料(粗羊毛)作为主要原料。这种不适宜用于纺纱的粗羊毛纤维，原料丰富、价格低廉。羊毛非织造布在生产过程不对环境造成污染；在使用过程中，羊毛非织造布不会释放甲醛和其他有毒有害气体，不会断裂和粉化，与人体接触不会引起皮肤瘙痒和过敏，具有很好的环保性和人体舒适性[3]，并且可以循环使用。

目前国内外对羊毛非织造布吸声性能的研究较少，许多数学者对其他材料的吸声性能进行了研究[4-6]。在废旧纤维用于吸声材料方面，Ersoy Sezgin等[7]对茶叶纤维废料与机织布复合材料的吸声性能进行了分析，Yu Xiang等[8]研究了孔径、空腔深度和孔隙率对废旧聚酯纤维多层结构材料吸声性能的影响。羊毛非织造布在建筑降噪领域应用时间较短，近年来成钢[9]和谢晓丽等[10]对其吸声性能进行了分析研究。本文以废旧羊毛纤维为原料制备了多孔吸声材料，重点研究其制备工艺以及厚度、密度和空腔深度对其吸声性能的影响，以期对该类材料的研发提供理论依据。

1 实验部分

1.1 试样制备

1.1.1 原 料

粗羊毛由江苏科博世羊毛建材科技有限公司提供，纤维长度为50～150 mm，直径为50～200 μm。通过CU-6纤维细度分析仪对粗羊毛的纤维形态进行观察，得到的图像如图1所示。

1.1.2 羊毛非织造布制备工艺

羊毛非织造布属于非织造物，制备工艺与一般非织造布的工艺流程基本相同。先将杂质过滤掉，然后开松，使纤维包中已被压紧的纤维块通过一定的机械打击和撕扯开解成小块的纤维束，而后与黄麻纤维、低熔点聚酯纤维(熔点为120～130 ℃)、抗菌剂、防虫蛀剂、阻燃剂进行混合。充分混合后，进一步对原料进行开松，然后梳理成网，将网体一层层铺放，形成多层网体。为进一步加强羊毛非织造布的阻燃性，在铺网过程中相邻2层网体的接触面上喷洒阻燃剂和乳液黏结剂，使网体之间形成阻燃黏结层。最后进行热黏合加固(加固温度为160 ℃)、压平、纵切和横切等工艺，制成羊毛非织造布。整个生产流程无高温工艺，生产流程较短，能耗低。制得的羊毛吸声材料如图2所示。

1.2 实验方法

1.2.1 实验材料基本规格

制备的羊毛非织造布的基本规格见表1所示。

表1 羊毛非织造布的基本规格

1.2.2 测试系统

参照GB/T 18696. 2—2002《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第二部分：传递函数法》的方法，以及由北京声望声电技术有限公司提供的双传声器阻抗管测试系统，此次吸声特性测试测量声学范围在250～6 300 Hz频率范围内的吸声系数。

整个测试系统包括内置扬声器的内径分别为100 mm和30 mm的2个铝合金阻抗管SW422和SW477，2个分别在60～1 800 Hz和1 600～6 300 Hz范围内比较敏感的传声器MPA416，1个功率放大器PA50，1个频率分析器MC3242，还有1个配备有软件VA-Lab4的计算机。测试系统如图3所示。

1.2.3 吸声系数的测定

测试前，对2个传声器进行校验。每次测试时，将实验样品放置于靠近后盖板的一端并固定好，按标准布置方式安装好2个传声器的位置，在软件VA-Lab4上触发实验。2个传声器的信号趋于稳定时，停止测试，交换2个传声器的位置，再次触发实验。当测试进行完毕后，通道测试系统整合数据给出每个频率的吸声系数，将1/3倍频程频率的吸声系数导出，即可进行下次实验。

2 实验结果与分析

2.1 厚度对吸声性能的影响

为了研究羊毛非织造布吸声性能与厚度的关系，选择3、5(2块3号材料叠加)、6(3块3号材料叠加)、7(4块3号材料叠加)号材料作为测试样品。在材料密度(239.5 kg/m3)和空腔深度(0 mm)相同的情况下，以厚度6、12、18和24 mm为变量分别进行4组测试，得出不同频率下的吸声系数，如图4所示。

从图4中可以看出，当材料厚度仅为12mm及以上时，超过630 Hz频率的吸声系数都在0.2以上，这表明羊毛非织造布在中低频率即具有优异的吸声性能。再者，随着频率的增加，厚度为6 mm的羊毛非织造布在250～6 300 Hz的频率范围内，吸声系数都不断增加。这是由于，当材料厚度不太大时，入射声波的频率越高，纤维被激活的程度越大。纤维间的空气振动加速了孔隙边缘和空气间的相互作用，形成了更大的黏性力。此后，声能大量衰减并转化成热能，热能在纤维孔隙间加快传导。因此，材料在高频区比低频区具有更好的吸声性能。而当厚度超过6 mm时，吸声系数在中低频表现优异，而在高频区域则出现不同程度的波动。这由于：当材料较厚时，低频声波可以进入材料深层被吸收，符合上述原理，因此吸声系数在低频随频率增大而增大；而高频声波大部分已经在材料浅层被吸收，进入材料深层的较少，因此吸声系数在高频随频率的增加发生波动，不会继续增大。

对4条曲线进行纵向对比可以发现，在低频范围内的特定频率上，吸声系数随厚度的增加而不断增大，这是由于低频声波进入到材料深层被吸收，在密度等其他条件一定的情况下，随着厚度的增加，进入孔隙的声波经过的孔隙通道也就越长，受到曲折通道的阻挡次数越多，声波在孔隙产生的能量损失也就越多，吸声系数也会相应地增大。而在高频范围内的特定频率上，当材料厚度大于6 mm时，吸声系数随厚度增加的变化不大，这同样是由于高频声波在材料浅层被吸收所致。

总的来说，采用增加厚度的方法，可以提高在低频范围内羊毛非织造布的吸声系数，对高频则影响甚微。当材料对低频的吸声系数达到要求时，再增加厚度对提高材料的吸声系数意义不大；材料太厚，也不利于室内施工。

2.2 密度对吸声性能的影响

为了研究羊毛非织造布吸声性能与密度的关系，选择1、2、3、4号材料作为测试样品，在材料厚度(6 mm)和空腔深度(0 mm)相同的情况下，以199.5、217.6、239.5和257.5 kg/m3为变量分别进行4组测试，得出不同频率下的吸声系数，如图5所示。

从图5可以看出，随着密度的增加，在低频区域内，羊毛非织造布的吸声系数随频率增加发生波动或略有上升；在高频范围内，吸声系数随频率的增加有比较明显的上升趋势。这是因为伴随着较大的密度，使得材料内部没有多少孔隙，低频声波进入其内部十分困难，很大一部分在表面被反射，这导致了材料对低频声波的吸声性能较差。而随着密度的增大，材料的透气性变差，流阻变大，因而高频声波衰减的越多，被吸收的程度越大。这使得材料密度变大，对高频声波的吸收性能变好。

由此可见，通过增加密度来提高材料对低频声波的吸声系数效果不明显。

2.3 空腔深度对吸声性能的影响

为了研究羊毛非织造布吸声性能与空腔深度的关系，选择3号材料作为测试样品，在其他规格相同的情况下，以0 mm空腔、6 mm空腔、12 mm空腔和18 mm空腔为变量分别做4组测试，得出不同频率下的吸声系数，如图6所示。

从图6可以看出，在特定空腔深度下，羊毛非织造布对低频的吸声系数随频率的增加而增大，而后出现峰值，而对高频的吸声系数则出现不同程度的下降。出现峰值和高频下降的原因在于：当材料背面(靠近后盖板的一面)空腔深度等于1/4波长的奇数倍时，在其相应频率下可获得最大的吸声系数。因为距离后盖板1/4波长奇数倍是波峰处，声压为零，但空气质点有最大的振动速度，材料所起的摩擦阻尼的损耗声能也最大，使材料产生最大的吸声效果，体现在图中峰值处。离后盖板1/2波长处即半波长的整数倍处，声压最大，此时质点的振动速度为零，从而相应频率下材料的吸声系数最小[11]，体现在图中高频吸声性能降低。

对4条曲线进行纵向对比可发现，在某一特定的频率，增加空腔深度可显著提高羊毛非织造布对中低频的吸声性能，这是由于空腔的存在，即使是声波透射过材料，当声波触碰到刚性后盖板(现实情况下是墙面)时，在材料背面与盖板之间发生反复反射，声能也会发生损耗，即相当于增加了材料的有效厚度，改善了其对低频的吸收性能。而在高频时，由于空腔深度增加，更加靠近吸声的谷值，使得材料的吸声性能有所降低。

经过分析可知，通过增加空腔深度来提高羊毛非织造布对低频的吸声性能，比单靠增加材料的厚度更加经济、合理。根据上述原理，通过调整材料背面与墙壁之间的空腔深度，可以达到设计所需要的吸声性能。

3 结 论

作为一种新型的多孔吸声材料，羊毛非织造布凭借其吸声绝热性好、装饰效果佳、环保等优良的特点在众多领域得到了广泛的应用，受到人们的青睐，具有广阔的市场前景。吸声性能作为该材料最重要的特点，对其进行研究对于材料的设计与应用有一定的指导和参考意义。本文对羊毛非织造布的吸声性能进行了较为初步的研究，得出以下结论：

1)羊毛非织造布吸声性能较好，对高频的吸声性能好于低频。材料厚度在6 mm时，吸声系数随频率变大不断增加；厚度到达12 mm之后，先是对低频吸声系数增加，当吸声系数达到峰值后，频率提高吸声系数出现波动。随着材料厚度的增加，材料对低频的吸声性能变好，对高频的吸声性能影响不大。

2)增加密度并不会显著提高羊毛非织造布的吸声性能，尤其对于低频吸声系数的提高无明显效果。

3)增加空腔深度可有效增强羊毛非织造布对低频声波的吸声效果，对高频的吸声效果则略有下降。通过增加空腔深度的方法提高材料的吸声性能，是经济合理的办法。

FZXB

[1] MOHD N M J, JAMALUDIN N, MOHD T F. A preliminary study of sound absorption using multi-layer coconut coir fibers[J]. Technical Acoustics, 2004(3): 1-8.

[2] 康玉成. 实用建筑吸声设计技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2007: 32-69. KANG Yucheng. Design and technology of practical building absorption[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2007: 32-69.

[3] 成钢, 方蔚然. 新型绿色羊毛吸声绝热制品[J]. 新型建筑材料, 2014, 41(2): 90-92. CHENG Gang, FANG Weiran. New green wool sound-absorbing insulation products[J]. New Building Materials, 2014, 41(2), 90-92.

[4] 沈岳, 蒋高明, 季涛, 等. 活性炭纤维材料吸声性能分析[J]. 纺织学报, 2013, 34(3): 1-4. SHEN Yue, JIANG Gaoming, JI Tao, et al. Analysis of sound absorbing properties of activated carbon fiber materials[J]. Journal of Textile Research, 2013, 34(3)： 1-4.

[5] 姜生, 晏雄. CPE/涤纶七孔短纤弹性体复合材料的吸声性能[J]. 纺织学报, 2010, 31(3): 32-35. JIANG Sheng, YAN Xiong. Acoustical absorption property of elastomer composites consisting of chlorinated polyethylene and seven-hole hollow polyester fibers[J]. Journal of Textile Research, 2010, 31(3): 32-35.

[6] 闫志鹏, 靳向煜. 聚酯纤维针刺非织造布的吸声性能研究[J]. 产业用纺织品, 2006(12): 13-16. YAN Zhipeng, JIN Xiangyu. Sound absorption properties of needle-punched nonwovens composed by polyester fibers[J]. Technical Textiles, 2006(12): 13-16.

[7] KUCUK Haluk, ERSOY Sezgin. Investigation of industrial tea-leaf-fibre waste material for its sound absorption properties[J]. Applied Acoustics, 2007, 70(1): 215-220.

[8] YU Xiang, LÜ Lihua, WEI Chunyan, et al. Research on sound absorption properties of multilayer structural material based on discarded polyester fiber[J]. The Journal of The Textile Institute, 2014, 105(10): 1009-1013.

[9] 成钢. 羊毛吸声绝热制品的性能及应用[J]. 新型建筑材料, 2009, 36(5): 63-66. CHENG Gang. Performance and application of wool sound absorption and thermal insulation product[J]. New Building Materials, 2009, 36(5): 63-66.

[10] 谢晓丽, 狄剑锋. 羊毛吸声材料声学性能分析[J]. 五邑大学学报(自然科学版), 2007, 21(3): 7-11. XIE Xiaoli, DI Jianfeng. Acoustic property analysis of sound absorption wool materials[J]. Journal of Wuyi University(Natural Science Edition), 2007, 21(3): 7-11.

[11] 汤慧萍, 朱纪磊, 王建永, 等. 不锈钢纤维多孔材料的吸声性能[J]. 中国有色金属学报, 2007, 17(12): 1943-1947. TANG Huiping, ZHU Jilei, WANG Jianyong, et al. Sound absorbing properties of stainless steel fiber porous materials[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007, 17(12):1943-1947.

Preparation and sound absorption properties of waste wool nonwoven material

LUAN Qiaoli1， QIU Hua1， CHENG Gang2， GE Mingqiao1

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China； 2.JiangsuKPSWoolTimberingScienceTechnologyCo.,Ltd.,Wuxi,Jiangsu214208,China)

In order to study the sound absorption properties of waste wool fiber, a kind of novel wool nonwoven material was prepared by a conventional non-woven technique with waste wool fibers as the main raw material. Using the transfer-function method and standing wave tube method, the sound absorption properties of wool nonwoven materials in a frequency range of 250-6 300 Hz were studied by changing the thickness, density, and cavity depth. Results indicated that wool nonwoven materials exhibit excellent sound absorption properties, which at high frequencies are better than those at low frequencies. At the sound waves of low frequencies, with the increase of thickness, density and cavity depth, sound absorption properties improve. The thickness and cavity depth are the main factors affecting the sound absorption properties of the material. Moreover, it is an economic and reasonable way to increase the sound absorption properties of the material by enhancing the cavity depth.

wool nonwoven material; sound absorption property; thickness; density; cavity depth

10.13475/j.fzxb.20150306005

2015-03-30

2016-03-25

教育部自主科研重点项目(JUSRP51301A)；江苏省2015年度普通高校研究生实践创新计划项目(SJZZ15_0148)

栾巧丽(1991—)，女，硕士生。主要研究方向为非织造吸声材料。邱华，通信作者，E-mail:qiuhua@jiangnan.edu.cn。

TS 176.5

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