中空涤纶增强橡胶基复合材料层合非织造布的吸声性能

洪 杰， 姜 生， 晏 雄

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620；3. 江苏工程职业技术学院 纺染工程学院， 江苏 南通 226007)

中空涤纶增强橡胶基复合材料层合非织造布的吸声性能

洪 杰1,2,3， 姜 生3， 晏 雄1,2

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620；3. 江苏工程职业技术学院 纺染工程学院， 江苏 南通 226007)

为改进氢化羧基丁腈橡胶(HXNBR)/单孔中空涤纶短纤复合材料(HF)在中低频的吸声性能，将厚度为1 mm、质量比为70/30的HF与厚度为3 mm、面密度为300 g/m2的针刺单孔中空涤纶短纤非织造布(NPH)层合制取了双层材料HF-NPH、三层材料HF-NPH-HF和NPH-HF-NPH。研究认为：双层材料以HF为入射面可有效改进材料在中低频吸声性能，吸声系数在750 Hz处达到峰值0.761，吸声系数大于0.2的有效频域为550～1 700 Hz，但在1 700 Hz以上中高频吸声性能差；三层材料则在中低频吸声性能优异的同时中高频吸声性能也较好，吸声系数大于0.2的有效频域均为450～2 500 Hz，在此范围内平均吸声系数均大于0.56，但总体上NPH-HF-NPH吸声性能更优。

氢化羧基丁腈橡胶； 中空涤纶； 复合材料； 吸声

非织造吸声材料作为一种多孔性吸声材料在实际中具有广泛的应用和研究[1-2]，但基于多孔性吸声材料的特点，其在中高频吸声效果好，且随频率增加其吸声性能越好，要在中低频取得优异的吸声性能需要大幅增加材料厚度或采取设置背部空腔等方式实现，这就带来材料厚重化、结构空间加大、制取复杂化和资源浪费问题[3-4]。中空合成短纤用作增强体制取橡胶基复合吸声材料，鲜见公开的文献报道。姜生等[5-7]以氯化聚乙烯、废弃回收橡胶为基体，加入七孔中空涤纶短纤作为增强体，制取了一系列的吸声材料，研究表明七孔中空涤纶短纤的使用可有效改进材料的吸声性能，材料吸声特性呈现多孔性吸声材料的特点，通过增加纤维用量和材料厚度可使吸声性能得到进一步提高，但是在中低频的吸声性能仍很差，改善不够显著。为此，姜生等[6,8]采取在材料后部设置背部空腔、与穿孔板复合等方式来改进材料在中低频的吸声性能，但由此带来了材料制取较复杂、材料空间结构加大等问题。

本文将一种用单孔中空涤纶制取的针刺非织造布与氢化羧基丁腈橡胶/单孔中空涤纶短纤复合材料层合，制取了层合材料，对其吸声性能进行研究，力求材料轻薄、制取简单，且在中低频的吸声性能得到显著改善。

1 实验材料制备

1.1 原 料

针刺非织造布(NPH)，制取所用单孔中空涤纶短纤规格为0.667 tex×64 mm，中国石化仪征化纤股份有限公司生产。氢化羧基丁腈橡胶/单孔中空涤纶短纤复合材料(HF)：所用基体氢化羧基丁腈橡胶(HXNBR)为德国朗盛(LANXESS)公司产品，牌号Therban XT VP KA8889；所用单孔中空涤纶(SHHPF)规格为0.167 tex×38 mm，由上海东华海天纺织科技发展有限公司生产。

1.2 材料制备

1.2.1 NPH和HF材料制取

所制取NPH材料厚为3 mm，面密度为300 g/m2，制备过程如下：纤维开松、混合→梳理成网→交叉铺网→预针刺→主针刺。

HF材料制备过程为：1)按一定质量比称取HXNBR和SHHPF；2)先将HXNBR在X(S)K-460型双辊筒炼胶机(无锡市创成橡塑机械有限公司生产)上辊温度为30 ℃下混炼5 min，再分多批次加入SHHPF，继续混炼40 min至均匀，得到HXNBR/SHHPF混合体；3)将HXNBR/SHHPF混合体铺放在1 mm厚的模具中，模具上下用30 cm×30 cm、厚为5 mm的不锈钢板夹持，在模具与钢板之间放有1层防黏耐高温聚酯膜(PET膜)，然后将装好的钢板放入QLB-50D/Q型平板硫化机(无锡市创成橡塑机械有限公司生产)；4)在压力为1～2 MPa、温度为140 ℃下预热5 min，调节压力，然后在压力为10 MPa、温度为140 ℃下压制20 min；5)泄压，取出钢板，冷却脱模即得表面平滑厚度为1 mm的HF材料。根据文献[5-7]的研究结果结合实验摸索，所制取HF材料中HXNBR与SHHPF材料的质量比为70∶30。

1.2.2 层合材料制备

先将HF、NPH材料层合制取双层材料(HF-NPH)，再以HF-NPH为基础继续层合1层NPH或HF，制得以NPH为芯层的3层材料(HF-NPH-HF)和以HF为芯层的3层材料(NPH-HF-NPH)，3种材料结构如图1所示。

图1 层合材料结构Fig.1 Structures of laminated materials

HF-NPH材料制取过程为：1)在30 cm×30 cm、厚为5 mm不锈钢平板上先后铺放1层30 cm×30 cm PET膜和聚四氟乙烯(PTFE)耐高温布；2)将裁剪为8 cm × 8 cm并已放入一方形不锈钢制模具(见图2)内的HF材料置于PTFE耐高温布上，再置于平板硫化机电热平板上在100 ℃下预热5 min；3)将裁剪为8 cm× 8 cm的NPH材料放置在经预热的HF材料上，其上再放置1层PET膜和1块30 cm×30 cm、厚为5 mm的不锈钢平板，开启硫化机使上下电热平板闭合，在100 ℃无压状态下压制0.5 min；4)取出待完全冷却去除模具等，即得双层材料HF-NPH。

图2 模具平面示意图Fig.2 Sketch of mold

HF-NPH-HF材料的制取过程为：1)按HF-NPH材料制取中描述的预热条件预热HF；2)将已制取的HF-NPH材料以NPH为下层放置在经预热的HF材料上，然后在HF-NPH材料的HF上先后放置1层PTFE耐高温布和PET膜，再放置1块30 cm×30 cm、厚为5 mm的不锈钢平板，开启硫化机使上下电热平板闭合，在100 ℃无压状态下压制0.5 min；3)取出待完全冷却去除模具等，即得3层材料HF-NPH-HF。

NPH-HF-NPH材料的制取过程为：1)将所制取HF-NPH材料HF层朝上放入厚度为4 mm的图2所示的方形不锈钢模具内，置于铺有PET膜的不锈钢平板上，再放在平板硫化机电热平板上于100 ℃下预热5 min；2)将裁剪为8 cm× 8 cm的NPH材料放置在经预热HF-NPH材料的HF上，在NPH上再放置1层PET膜和1块30 cm×30 cm、厚为5 mm的不锈钢平板，开启硫化机使上下电热平板闭合，在100 ℃无压状态下压制0.5 min；3)取出待完全冷却去除模具等，即得3层材料NPH-HF-NPH。

2 性能测试

图3 阻抗管测试吸声系数安装图Fig.3 Assembled diagram of measured sound absorption coefficient with impedance tube

材料吸声性能测试在由北京声望声电技术有限公司生产的SW230系列阻抗管上完成，测试时将材料裁成直径为8 cm的圆形试样，遵照GB/T 18696.2—2002《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第2部分 传递函数法》，仪器安装示意图如图3所示。

HF材料电镜拍摄采用美国FEI公司生产的Quanta-250环境扫描电子显微镜，拍摄断面需先将材料放置在液氮中一定时间进行脆断，然后在高真空下进行碳一级复型，经过喷金处理后完成拍摄，拍摄表面则无需脆断过程。

3 结果分析

3.1 HF和NPH材料的吸声性能

图4示出HF和NPH材料的吸声性能。为了表明SHHPF使用对材料吸声性能的改善，加入了相同厚度纯HXNBR材料对吸声数据进行对比。图5示出SHHPF的横截面。图6示出HF材料的扫描电镜照片。

图4 HF和NPH材料的吸声性能Fig.4 Sound absorption properties of HF and NPH

图5 SHHPF的横截面切片(× 2 000)Fig.5 Cross section morphology with SHHPF(× 2 000)

图6 HF材料的扫描电镜照片Fig.6 SEM images of HF. (a) Section(× 500); (b) Surface(× 100)

从图4可看出，HF材料在1 700 Hz以上范围时，相比纯HXNBR材料其吸声性能有显著改善，这是由于在HXNBR中加入SHHPF后，材料的吸声作用机制多元化所致。除了HXNBR基体其黏弹性内阻尼耗能吸声，还有所加入SHHPF的黏滞作用、热传导以及纤维本身的振动耗能共同作用下吸声[9]。此外，从图5可知SHHPF的中空结构使得HF中空隙增加，其中存在的空气起到了黏滞作用以及空气与腔壁的摩擦作用导致耗能增加较多而使吸声性能随之有更大的改善[10-11]。从图6看出HF中含有较多的SHHPF，其在材料中均匀分散存在，相互之间构建出一个完整致密的纤维网络，使得纤维之间的振动摩擦耗能以及纤维本身振动与橡胶基体间的摩擦耗能作用得到增强，也极大地消耗了声波的能量，使HF材料具有优异的吸声性能[6]。

从图4还可看出，HF材料吸声性能呈现多孔性吸声材料特点，吸声系数大于0.2的范围为1 900～2 500 Hz，在2 500 Hz处的吸声系数为0.578，而在小于1 700 Hz范围几乎没有任何改进，吸声性能很差，在500 Hz以下范围呈现的吸声系数规律也较为凌乱。对于NPH材料，其吸声性能也呈多孔性吸声材料的特点，只是相比HF材料在整个频率范围内吸声性能较优，吸声系数大于0.2的范围为1 300～2 500 Hz，在2 500 Hz处的吸声系数为0.567，但在中低频吸声性能仍较差。

3.2 双层材料的吸声性能

制备的双层材料HF-NPH的吸声性能如图7所示。图中HF-NPHHN、HF-NPHNH分别表示以HF为入射面和NPH为入射面时双层材料的吸声性能。由图7(a)可知，选择不同的入射面时HF-NPH材料的吸声性能完全不同。以NPH作为入射面，材料的吸声性能所呈现的规律和HF、NPH材料一致。这是由于以NPH为入射面时，声波除了一部分被反射后进入到NPH内部，由于NPH为非织造多孔性吸声材料，材料中纤维之间空隙存在以及所用单孔中空涤纶短纤中静止空气的存在，空气的黏滞和摩擦作用可消耗能量引起声能的衰减，同时纤维之间的振动摩擦作用也使声能衰减，但NPH基于多孔性吸声材料的特性对中高频范围声波的吸收作用好，在中低频吸声作用较差。此后，声波开始入射到HF表面，同样部分声波被反射再次进入NPH后其余进入到HF内部，引起HF中如前文所述的多元化吸声作用。由于HF在1 900 Hz以上范围才展现出优良的吸声性能，在1 900 Hz以下吸声性能很差，此时HF对双层材料整体吸声性能的提高也更多体现在中高频，且频率越高其提高幅度越大。综合作用下，此时双层材料表现为多孔性吸声材料的特点，随频率增加其吸声系数增大，在2 500 Hz处吸声系数为0.675，吸声系数大于0.2的范围拓宽为1 150～2 500 Hz，图7中该范围内各频率点的平均吸声系数为0.414。

图7 HF-NPH材料的吸声性能Fig.7 Sound absorption properties of HF-NPH. (a)100-2 500 Hz;(b)100-500 Hz

当以HF作为入射面时，从图7(a)可知双层材料吸声性能发生了根本性的改变，其吸声系数先随频率的增加而提高，至一定峰值后开始下降，且出现峰值的位置显著往中低频方向移动在750 Hz处，对应的峰值为0.761，吸声系数大于0.2的有效频率范围整体上也向低频区移动，为550～1 700 Hz，在这个范围内各频率点平均吸声系数为0.399。同时从图7(b)可看出，在500 Hz以下的低频范围内，吸声系数均在0.1以上，且吸声系数数值规律有序。这是由于以HF为入射面时，虽然其吸声特性呈现出多孔性材料的吸声特点，但由图6(b)可知，HF是一种封闭式薄膜片状材料，其纤维均固化在HXNBR基体内，而其后层合的NPH为非织造多孔性吸声材料，在NPH中纤维之间的空隙存在空气以及所用中空涤纶短纤中也存在大量空气相互贯穿形成空气层，起到一种类似后部空腔的作用，产生了空腔共振作用吸声效果。为证实这个假设，在单一的HF后设置3 mm空气层，测试其吸声性能，结果如图8所示。峰值为0.633，其对应频率点为1 150 Hz，吸声系数大于0.2的范围为850～1 850 Hz，这一范围内各频率点平均吸声系数为0.379。HF-NPHHN吸声规律与此类似，但HF-NPHHN有效吸声频域更宽也更偏向中低频，有效频域内的平均吸声系数也更高。这是因为除了有空腔共振作用吸声，在声波激发下NPH中存在纤维黏滞损耗和纤维之间的振动摩擦耗能，同时材料厚度增加在一定程度上也有助于中低频吸声性能提高。综合作用下，材料吸声性能发生改变，中低频吸声性能得到有效提高，但是中高频吸声性能差[12]。

图8 设置3 mm空气层的HF材料的吸声性能Fig.8 Sound absorption property of HF with 3 mm cavity

相比采取增加材料厚度或在材料背后设置空腔结构的方式来改善材料在中低频的吸声性能， HF-NPH材料采取合适的入射面使材料在轻薄的同时其中低频吸声性能显著改进，且材料制取简单[ 4,13]。

3.3 3层材料的吸声性能

HF-NPHHN在中低频有很好的吸声性能，但在1 500 Hz以上中高频吸声性能受到了影响，为此继续层合制取了3层材料，其吸声性能如图9所示。可以看出，2种3层材料的吸声规律相似，随频率增加其吸声系数相应增大，至一定峰值后开始下降。对于HF-NPH-HF材料，在1 800 Hz处达到峰值，吸声系数为0.74，大于0.2的有效吸声频率范围为450～2 500 Hz，在中低频吸声性能得到提高的同时在中高频也有较好的吸声性能，在该范围内平均吸声系数为0.562，为高效吸声材料[14]。这是由于在HF-NPH基础上，进一步层合HF，材料为一种三明治结构。根据前述分析，NPH中存在的大量空气相互贯穿形成空气层，在HF后起到了一种背部空腔共振的吸声作用，且材料厚度由4 mm增至5 mm，在一定程度上也有助于中低频吸声性能的提高。而经衰减后的声波再进入最后一层HF，HF作为一种呈现多孔性吸声材料特性的封闭式薄膜片状材料，有助于中高频的吸声性能改进，因此，HF-NPH-HF在更宽的频率范围具有更好的吸声性能。

图9 3层材料的吸声性能Fig.9 Sound absorption properties of HF-NPH-HF and NPH-HF-NPH

对于NPH-HF-NPH材料，在1 450 Hz处达到峰值，吸声系数为0.687，大于0.2的频率范围为450～2 500 Hz，在此范围内各点的平均吸声系数为0.581，结合图9对中高频吸声性能的观察，其总体优于HF-NPH-HF，同时也是一种高效吸声材料[14]。这是由于在NPH-HF-NPH中，声波除了一部分被反射后进入到NPH内部，根据前述NPH在中高频吸声性能好，经衰减后透过NPH的声波开始入射到HF表面，同样部分声波被反射再次进入NPH，其余进入到HF内部，此时在HF后还有一层NPH，其中存在的大量空气相互贯穿形成空气层在HF后起到了一种背部空腔共振的吸声作用，使得材料在中低频的吸声性能得到改善。同时材料厚度增至7 mm，不仅有助于材料在中低频吸声性能的改善，对材料整体上的吸声性能也有改进，且NPH相比HF在中高频的吸声性能更优。综合作用下， 使NPH-HF-NPH比HF-NPH-HF在中高频吸声性能更好的同时在整体上吸声性能也更优。

4 结 论

1)采取层合方式制取的材料其吸声性能得到改善， HF-NPH材料采取不同的入射面所呈现的吸声规律不同。以NPH为入射面呈现多孔性吸声材料的特点，中高频的吸声性能进一步提高，吸声系数大于0.2的有效频域为1 150～2 500 Hz，2 500 Hz处的峰值为0.675，但在中低频吸声性能仍很差；以HF为入射面在中低频的吸声性能优异，吸声系数大于0.2的有效频域为550～1 700 Hz，吸声系数峰值为0.761，对应频率为750 Hz，但在中高频吸声性能差。

2)3层材料在中低频吸声性能优异的同时，在中高频的吸声性能也较好，吸声系数大于0.2的有效频域均为450～2 500 Hz，在此范围内HF-NPH-HF平均吸声系数为0.562，NPH-HF-NPH平均吸声系数为0.581，其总体吸声性能也更优。

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Sound absorption properties of hollow polyester reinforced rubber-based composite laminated nonwoven

HONG Jie1,2,3, JIANG Sheng3, YAN Xiong1,2

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 3.CollegeofTextileandDyeingEngineering,JiangsuCollegeofEngineeringandTechnology,Nantong,Jiangsu226007,China)

In order to improve the sound absorption property of hydrogenated carboxyl nitrile rubber /single-hole hollow polyester composite (HF), HF with a mass ratio of 70/30 in 1 mm thickness was laminated with needle punched single-hole hollow polyester nonwoven(NPH) which was 300 g/m2and 3 mm in thickness, then double laminated material HF-NPH, and triple laminated material HF-NPH-HF and NPH-HF-NPH were fabricated. The study found that the sound absorption property of double laminated material in mid-low frequency is effectively improved when setting the HF as the incident side. The peak value of sound absorption coefficient is 0.761 at the frequency of 750 Hz, and the effective frequency bandwidth of sound absorption coefficient larger than 0.2 is 550-1 700 Hz, but it has poor sound absorption property at mid-high frequency above 1 700 Hz. For the triple laminated materials, they have excellent sound absorption property both at mid-low frequency and mid-high frequency. Their effective frequency bandwidth of sound absorption coefficient larger than 0.2 are broadened to 450-2 500 Hz, and the average absorption coefficient is greater than 0.56 in this effective frequency bandwidth. Generally, sound absorption property of NPH-HF-NPH is slightly better than that of HF-NPH-HF.

hydrogenated carboxyl nitrile rubber; hollow polyester; composite; sound absorption

10.13475/j.fzxb.20150303406

2015-03-20

2015-10-13

中国纺织工业联合会科技指导性项目(2013115)；江苏省青蓝工程资助项目(苏教师[2014]23号)

洪杰(1981—)，男，讲师，博士生。研究方向为阻尼吸声功能材料。晏雄，通信作者，E-mail：yaxi@dhu.edu.cn。

TQ 050.4

A