羊毛及其混合纤维非织造材料的吸声性能

栾巧丽， 邱 华， 成 钢， 刘晓燕

(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)

羊毛及其混合纤维非织造材料的吸声性能

栾巧丽1， 邱 华1， 成 钢2， 刘晓燕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)

为优化羊毛非织造材料的吸声性能，以羊毛、毛/涤、毛/麻3种材料制备非织造材料。通过阻抗管对3种非织造材料的吸声性能进行测试，分析了声波频率在250～6 300 Hz范围内，材料的纤维种类、厚度和空腔深度对其吸声性能的影响。结果表明：3种材料的平均吸声系数均大于0.2，纯毛非织造材料的吸声性能略好于毛/涤与毛/麻非织造材料；通过增加材料厚度或设置空腔的方式均可提高材料全频段(尤其中低频段)的吸声性能，其中厚度对材料吸声系数的影响程度更大；从环保、材料价格、便于施工等方面考虑，以厚度为6 mm的毛/麻非织造材料作为吸声材料，并设置6 mm的空腔，即可达到较为优异的低频吸声性能。

羊毛； 毛/麻； 毛/涤； 非织造材料； 厚度； 空腔； 平均吸声系数

噪声是一种无形的污染，不仅会影响人们正常的生活、工作和身体健康，还会加速建筑物和机械的老化[1]。在城市建筑、工业制造、交通工具等领域，迫切需要经济有效的吸声材料[2-4]。随着社会的不断进步，以玻璃棉、岩棉等无机纤维和以聚酯、聚丙烯等有机合成纤维制备的多孔吸声材料由于易产生固体废弃物，不易降解等缺点，在实际的使用过程中有很大的局限性。而以天然纤维为原料制备的多孔吸声材料，在过去由于纤维来源较少、价格昂贵，没有大面积使用。随着环保意识的不断增强，人们逐渐意识到天然纤维作为可再生资源，可二次利用，材料的生产成本也得以降低，并且其吸声性能优良，使得天然纤维多孔吸声材料重回大众视野，成为吸声材料重要的研究方向之一。

国内外有学者对天然纤维非织造材料的吸声性能进行了研究。Xiang等[5]对木棉纤维材料的吸声性能进行了分析。由于木棉纤维的中空结构，与其他天然纤维相比，其吸声性能更具优势。胡凤霞等[6]采用驻波管法测试黄麻纤维、苎麻纤维、大麻纤维针刺毡的吸声系数，认为黄麻的吸声性能最好。Krucin等[7]以废旧棉纤维和由废旧亚麻纤维经酶催化和机械处理得到的超短和超细纤维为增强材料，与聚乳酸纤维进行复合，制备得到的热塑性复合材料吸声性能优异。

羊毛纤维可用于制备吸声材料[8]，自20世纪90年代以来得到广泛关注。Patnaika等[9]用废旧羊毛纤维和回收利用的聚酯纤维针刺成非织造毡，其中分别以羊毛毡和聚酯毡为单层复合而成的双层毡，其热传导性、吸声性能、吸水性能、防火性能最为优异。

本文选取羊毛纤维、黄麻纤维和涤纶为原料制备羊毛及其混合纤维非织造材料，着重研究3种纤维对材料吸声性能的影响，并通过增加厚度、空腔的方式提高材料的吸声性能以及分析厚度、空腔对材料吸声性能的影响程度，以期开发出资源节约和绿色环保的非织造建筑吸声材料。

1 实验部分

1.1 试样制备

1.1.1 实验材料

羊毛纤维(细羊毛和废旧粗羊毛)、黄麻纤维和聚酯纤维，均由江苏科博世羊毛建材科技有限公司提供。

羊毛表面具有鳞片层，使得羊毛具有缩绒性。细羊毛纤维长度为50～150 mm，纤维直径为20～100 μm。细羊毛的鳞片大都呈环状覆盖，重叠多，缩绒性较好。废旧羊毛纤维长度为65～125 mm，直径为50～200 μm。废旧羊毛是不适合用于纺纱织造的粗短羊毛，是毛纺工业的下脚料，一般没有服装用价值。但废旧羊毛保温性能和防火性能较好，利用废旧羊毛制备非织造吸声材料，实现了对资源的合理利用，降低了生产成本，具有现实的应用价值。黄麻纤维是不规则多角形纤维细胞集合在一起的纤维束，纤维粗短。黄麻纤维长度为25～45 mm，直径为18～40 μm。黄麻具有吸湿性好、抗菌性好、绿色环保等优点，是最廉价的天然纤维之一，可作为与羊毛纤维混合的原料。涤纶表面光滑，长度为9 mm，直径为15～25 μm，作为应用最为广泛的合成纤维，不霉不蛀，也可作为与羊毛纤维混合的原料之一。

1.1.2 主要实验仪器及设备

ES1200型电子天平、YG141型织物厚度仪、SU1510型扫描电镜、SW422型阻抗管。

1.1.3 试样的基本规格

根据纤维种类制备了3种非织造吸声材料：纯毛材料、毛/涤纶材料、毛/麻材料。纯毛材料中的羊毛选用的是细羊毛，毛/涤纶材料、毛/麻材料选用的是粗羊毛。制备的3种非织造材料的基本规格见表1。

表1 非织造材料的基本规格Tab.1 Basic specifications of wool nonwoven materials

1.2 实验方法

1.2.1 样品裁剪

在实验前每种样品分别按模具尺寸裁剪成直径为100、30 mm的圆形薄片，供实验使用。裁剪后的毛/麻材料如图1所示。

图1 裁剪后的毛/麻材料Fig.1 Wool/jute material after cutting

1.2.2 吸声系数的测定

阻抗管是一根内壁光滑、坚硬的圆柱管，内径分别为100 mm(供低频用)或30 mm(供高频用)，长为1～2 m。被测样品装在管的一端，刚性后盖板与阻抗管的管壁严格密封，以免漏声。管的另一端是声源，控制发出声源的强度和频率，扬声器接收正弦信号发生器信号源，得到纯音信号，并向管中辐射平面波。声波在管中传播，入射样品，并产生反射。反射波与入射波方向相反，相互叠加，在阻抗管中形成驻波[10]。

采用驻波管法测量3种材料在250～6 300 Hz频率范围内1/3倍频程的15个频带的吸声系数α。用平均吸声系数来评价材料的吸声性能，即材料在125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz 6个倍频带吸声系数的平均值，通常认为平均吸声系数大于0.2的材料称为吸声材料[11]。

图3 3种羊毛非织造材料的电镜照片(×200)Fig.3 SEM images of three types of nonwoven materials(×200).(a)Wool material; (b)Wool/polyester material; (c)Wool/jute material

2 结果与分析

2.1 纤维混合比对吸声性能的影响

为研究非织造材料吸声性能与纤维种类的关系，在保持材料面密度(210 kg/m3)和材料厚度(6 mm)基本相同的情况下，分别测试纯毛材料、毛/涤纶材料、毛/麻材料在250～6 300 Hz频率范围内的吸声系数，结果如图2所示。

图2 不同种类纤维的非织造材料的吸声性能Fig.2 Sound absorption properties of nonwoven materials with different fiber species

从图2可看出，3种样品在整个频率范围内吸声系数基本呈逐渐上升的趋势，且纯毛材料在5 000 Hz时达到最大吸声系数0.89，毛/涤纶材料和毛/麻材料在6 300 Hz的最大吸声系数分别为0.78和0.70。经计算得出，纯毛材料、毛/涤纶材料、毛/麻材料的平均吸声系数分别为0.28、0.26、0.26，所以3种材料均可作为吸声材料。这是由于3种材料内部均具有敞开的、贯通的微孔，当声波入射到材料时，使微孔中的空气产生振动，振动产生的热能在微孔以及与孔壁接触的传导中造成损失，从而使声能衰减。

对比图2中3条曲线可发现，纯毛材料的吸声性能略好于毛/涤纶材料与毛/麻材料，这可从3种材料的内部结构进行解释。图3示出3种羊毛非织造材料的电镜照片。图3(a)为纯毛材料的内部结构图。由于所有纤维均为羊毛纤维，纤维表面有鳞片层，因而较为粗糙，而且纤维与纤维之间穿插纠缠较为紧密，微孔增多，使得声波在通过纯毛材料时与纤维之间的摩擦增多，在微孔中传递产生的热量损失也增多，因而吸声性能略高。从毛/涤纶材料的电镜照片(见图3(b))可看出：由于涤纶表面比较光滑，声波通过时阻力较小；且其与羊毛纤维的抱合较为松散，微孔较大，使得当相同频率的声波穿过时，声能衰减程度比纯毛材料略低，因而吸声性能不及纯毛材料。从毛/麻材料的结构图(见图3(c))中可看出，虽然黄麻表面粗糙，但纤维较粗硬，与羊毛、涤纶纤维交错缠绕较为困难，孔隙较大，使得吸声性能略差于纯毛材料。

总的来说，由于纯毛材料由细羊毛缩绒加工而成，纤维原料的成本较高，因此在吸声性能相差并不大的情况下，毛/涤纶材料与毛/麻材料均可成为纯羊毛毡的替代材料，大大降低了生产成本；毛/麻材料中黄麻的加入使得材料更加环保，且易回收和自然降解，但3种材料整体的吸声性能并不高，本文通过增加厚度和空腔的方式提高材料的吸声性能。

2.2 厚度和空腔对吸声性能的影响

为研究非织造材料吸声性能与厚度和空腔的关系，在保证材料面密度(210 kg/m3)大致相同的情况下，分别测试纯毛材料、毛/涤纶材料、毛/麻材料在厚度为6、12 mm(2块样品叠加)以及厚度为6 mm外加6 mm空腔时，在250～6 300 Hz频率范围内的吸声系数，结果如图4所示。

图4 不同厚度和空腔的非织造材料的吸声性能Fig.4 Sound absorption properties of nonwoven materials with different thicknesses and cavity depths. (a)Wool material; (b)Wool/polyester material; (c)Wool/jute material

从图4可看出，通过增加材料厚度或设置空腔的方式均可提高3种羊毛非织造材料的吸声性能，中低频段吸声系数增加得尤为突出。从图4(a)可看出：当厚度增加为原样品的2倍时，中低频率范围内，新样品的吸声系数明显增大，平均吸声系数从0.28提高至0.45；当在原样品与后盖板之间设置6 mm空腔时，新样品的吸声系数曲线位于原样品吸声系数曲线的上方，中低频段的增幅较大，平均吸声系数从0.28提高至0.39。毛/涤纶材料吸声系数(图4(b))和毛/麻材料吸声系数(图4(c))显示出类似的吸声系数曲线增长趋势，增加样品厚度，设置空腔，毛/涤纶材料的平均吸声系数从0.26分别提高到0.46、0.32，毛/麻材料的平均吸声系数从0.26分别提高到0.40、0.40。从平均吸声系数可看出，增加材料厚度或设置空腔可提高材料的吸声性能，且增加材料厚度对材料吸声系数的提高影响更为显著。这是由于材料厚度的增加使得声波在经过材料的微孔时，微孔通道加长，受到通道摩擦阻挡的次数增多，产生的声能损耗增多，使得吸声系数增大；而空腔的设置会使得声波在透射过材料后，在材料背面与盖板(实际情况下是墙面)之间反复的发生反射，也会造成声能的损耗，使得材料的吸声性能提高，但这种反射造成的声能损耗不及声波在穿过微孔时产生的损耗高，因此厚度比空腔更能显著地提高材料的吸声性能。

对于多孔吸声材料来说，其低频吸声性能较差，高频吸声性能较好。根据实验结果，可通过增加材料厚度或设置空腔的方式较为显著地提高材料的低频吸声性能。毛/涤纶材料与毛/麻材料在增加厚度或设置空腔后，最大吸声系数均可达到0.9以上，吸声性能优异。本着节约材料、便于施工的理念，通过设置空腔的方式比增加材料厚度更经济、合理，可达到较为理想的吸声效果。

3 结 论

1)在250～6 300 Hz的频率范围内，吸声系数曲线逐渐上升，纯毛材料、毛/涤纶材料、毛/麻材料的平均吸声系数均在0.2及以上，说明羊毛及其混合纤维非织造材料具有较好的吸声性能。

2)纯毛材料的吸声性能略好于毛/涤纶材料与毛/麻材料，但出于降低生产成本和环保易回收的角度考虑，毛/涤纶材料和毛/麻材料可作为纯羊毛毡的替代材料。

3)增加材料厚度或设置空腔均可提高材料全频段(尤其中低频段)的吸声性能，设置空腔的方式与增加材料厚度相比，更加经济、合理。

4)综合比较可得出，以6 mm的毛/麻材料为吸声材料，并设置6 mm的空腔，材料具有环保低廉、便于施工的特点，且具有较为优异的低频吸声性能。

FZXB

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Sound absorption properties of nonwoven material based onwool and its hybrid fibers

LUAN Qiaoli1， QIU Hua1， CHENG Gang2， LIU Xiaoyan1

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

In order to optimize the sound absorption properties of wool nonwoven materials, wool and its hybrid fiber nonwoven materials were prepared from wool, wool/polyester and wool/jute. Using the standing wave tube, the sound absorption properties of wool nonwoven materials in a frequency range of 250-6 300 Hz were studied by changing the fiber species, thickness and cavity depth. Results indicate that the average sound absorption coefficient of three samples is no less than 0.2, and sound absorption properties of wool materials are slightly better than those of wool/polyester materials and wool/jute materials. Sound absorption performance of all frequencies (especially low frequencies) also can be improved by increasing the thickness of the material or setting the cavity, in which thickness supplies more influence on sound absorption coefficients. Taking environmental protection, inexpensive materials and convenient construction into consideration, the 6 mm wool/jute material with a cavity of 6 mm can achieve more excellent sound absorption performance at low frequencies.

wool； wool/jute； wool/polyester； nonwoven material； thickness； cavity； average sound absorption coefficient

2016-03-07

2016-08-29

江苏省2015年度普通高校研究生实践创新计划项目(SJZZ15_0148)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政办[2014]37号)

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。

10.13475/j.fzxb.20160301605

TS 176.5； TB 535

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