呂麗華， 畢吉紅， 于 翔， 錢永芳， 趙玉萍

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034)

廢棄滌綸織物/氯化聚乙烯復(fù)合材料的隔聲性能

呂麗華， 畢吉紅， 于 翔， 錢永芳， 趙玉萍

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034)

為解決廢舊紡織纖維資源化利用問題和日常生活中的噪聲污染,采用廢棄滌綸織物與氯化聚乙烯逐層貼合，熱壓制得具有良好隔聲效果的隔聲復(fù)合材料。通過對(duì)廢棄滌綸織物、純氯化聚乙烯(CPE)板、廢棄滌綸織物/CPE層合隔聲材料的隔聲量曲線分析發(fā)現(xiàn)，廢棄滌綸織物/CPE層合復(fù)合材料的隔聲性能最好；改變廢棄滌綸織物層數(shù)、面密度和加壓壓力，制得不同參數(shù)的廢棄滌綸織物/CPE層合復(fù)合材料。通過對(duì)隔聲量曲線分析可知，隨廢棄滌綸織物層數(shù)、材料面密度和加壓壓力的增加，其隔聲量提高；對(duì)隔聲復(fù)合材料的隔聲量進(jìn)行理論計(jì)算，并與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值有較好的吻合性。

廢棄滌綸織物； 隔聲性能； 復(fù)合材料； 隔聲量； 氯化聚乙烯

廢舊紡織品的存在不僅造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，且存在火災(zāi)隱患，因此，廢舊紡織品再生資源化利用技術(shù)研究意義重大[1]；另一方面，隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化步伐的加快，噪聲污染變得越來越嚴(yán)重，其危害人們的學(xué)習(xí)、工作以及身體健康等。

所謂隔聲就是利用隔聲材料來隔離阻擋聲波的傳播。氯化聚乙烯(CPE)的阻尼性能良好，當(dāng)聲波作用于CPE時(shí)，其振動(dòng)作用會(huì)引起CPE大分子鏈運(yùn)動(dòng)， 大分子鏈的振動(dòng)需克服摩擦阻力，從而使聲能量轉(zhuǎn)化為其他能量達(dá)到隔聲效果[2]。劉慧等[3]在聚氯乙烯基復(fù)合材料中添加了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CPE和鄰苯二甲酸二苯酯(DOP)，討論了CPE和DOP的用量對(duì)聚氯乙烯基復(fù)合材料隔聲效果的作用。傅雅琴等[4]用E型聚氯乙烯和玻璃纖維織物為實(shí)驗(yàn)材料，添加不同種類的增塑劑，制備出隔聲性能優(yōu)良的玻璃纖維織物/聚氯乙烯復(fù)合材料。該材料輕量、柔韌、超薄，并解決了傳統(tǒng)隔聲材料以高密度、大厚度來提高隔聲效果的問題。楊天兵等[5]以埃洛石納米管(HNTs)填充的聚氯乙烯(PVC)為基體，面密度相同而組織循環(huán)數(shù)不同的蜂窩織物為增強(qiáng)體制造出隔聲復(fù)合材料，研究其隔聲性能。王前文等[6]制備了亞麻纖維/聚丙烯隔聲復(fù)合材料，探討了纖維摻量和亞麻纖維表面處理對(duì)其隔聲性能的影響。魯燦燦等[7]用芳綸氈和阻尼彈性薄膜逐層貼合，制備出2層、3層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)氈體厚度和不同復(fù)合構(gòu)造對(duì)其吸聲與隔聲性能有顯著影響。本課題組一直從事廢棄纖維吸聲隔音方面的研究，并取得一系列研究成果[8-9]。

當(dāng)聲波作用于滌綸織物時(shí)，一部分聲波被織物反射，另一部分入射到廢棄滌綸織物內(nèi)部，引起織物和纖維中空氣的振動(dòng)，使聲能轉(zhuǎn)化成其他能量而衰減[10]。廢棄滌綸織物內(nèi)部松散多孔，因此大部分聲波會(huì)透過織物，達(dá)不到預(yù)期的隔聲效果。本文將CPE與廢棄滌綸織物逐層貼合，制備隔聲效果優(yōu)良的復(fù)合材料，探討了廢棄滌綸織物、材料的面密度、廢棄滌綸織物層數(shù)和加壓壓力等參數(shù)對(duì)復(fù)合材料隔聲性能的影響，最后對(duì)其隔聲量進(jìn)行理論分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

CPE，氯化度為35%，昆山齊鑫冠騰塑化有限公司；廢棄滌綸織物,面密度為145 g/m2，四川宜賓新材料有限公司。

1.2 測(cè)試儀器

SK-160B型雙輥塑煉機(jī)，上海思南橡膠機(jī)械有限公司；QLB-50D/Q MN型壓力成型機(jī)，江蘇無錫中凱橡塑機(jī)械有限公司；NHY-W型萬能制樣機(jī)，承德市試驗(yàn)機(jī)廠；SW477/SW422型隔聲測(cè)試系統(tǒng)，北京聲望公司，測(cè)試噪聲源強(qiáng)度為100 dB。

1.3 實(shí)驗(yàn)工藝

將CPE粉末在雙輥混煉機(jī)(溫度為65 ℃)中煉成薄片；再將CPE薄片與廢棄滌綸織物逐層復(fù)合置于模具中，并放于平板硫化機(jī)(溫度為140 ℃)內(nèi)。在3 MPa條件下，加熱3 min后，再依照實(shí)驗(yàn)所需加壓條件加壓10 min；最后，將復(fù)合材料脫模冷卻。所制備的隔聲材料的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 廢棄滌綸織物/CPE隔聲材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of waste polyester fabric/CPE sound insulation composites

1.4 隔聲量測(cè)試

根據(jù)GB/T 18696.2—2002《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第2部分：傳遞函數(shù)法》，采用傳遞函數(shù)法用SW477/SW422隔聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試隔聲量。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢棄滌綸織物對(duì)隔聲量的影響

圖2示出材料厚度為4 mm、加壓壓力為10 MPa、 面密度為0.5 g/cm2時(shí)，4層廢棄滌綸織物、純CPE、廢棄滌綸織物/CPE層合隔聲材料的隔聲量曲線。

圖2 不同材料的隔聲量曲線Fig.2 Sound insulation curves of different materials

由圖2可知，4層廢棄滌綸織物不具備隔聲性能。而純CPE、廢棄滌綸織物/CPE層合隔聲材料的隔聲量曲線具有波動(dòng)性，兩樣品的隔聲效果隨聲波頻率的增大而整體提高。廢棄滌綸織物的添加使高頻的隔聲量增大，但對(duì)中低頻的隔聲量沒有顯著影響。這可能是因?yàn)閺U棄滌綸織物的加入主要吸收消耗了高頻段的聲波，進(jìn)而達(dá)到隔聲效果。廢棄滌綸織物/CPE復(fù)合材料的平均隔聲量[11]為21.86 dB，純CPE材料的平均隔聲量是20.04 dB[12]，說明廢棄滌綸織物的加入，使復(fù)合材料的隔聲效果有一定的作用，但在500 Hz以下，純CPE比CPE/滌綸織物的隔聲性能好，是因?yàn)镃PE是一種黏彈性材料，在低頻下具有良好的隔聲性。

廢棄滌綸織物/CPE隔聲復(fù)合材料具有皮芯結(jié)構(gòu)。皮層是韌性良好的CPE，主要起隔聲、抗震和抗拉伸作用，芯層為多孔的廢棄滌綸織物。二者共同作用提高了材料的隔聲性能。由于廢棄滌綸織物/CPE隔聲材料獨(dú)特的皮芯層合結(jié)構(gòu)，聲波在復(fù)合材料的各分界面都會(huì)發(fā)生折射、透射和反射[12]，因此，經(jīng)多次透射與反射后消耗了更多的聲能。

2.2 織物層數(shù)對(duì)隔聲量的影響

圖3示出材料面密度為0.3 g/cm2、加壓壓力為10 MPa，廢棄滌綸織物層數(shù)分別為2、4和6層時(shí)所得到的隔聲量曲線。

圖3 不同層數(shù)廢棄滌綸織物的隔聲量曲線Fig.3 Sound insulation curves of waste polyester fabrics with different layers

由圖3可知，隨廢棄滌綸織物層數(shù)的增加，材料在中低頻及高頻的隔聲量得到很大改善。具有2、4和6層廢棄滌綸織物復(fù)合材料的平均隔聲量分別為17.34、20.47、23.59 dB。當(dāng)材料的面密度和加壓壓力相同時(shí)，其隔聲量會(huì)隨廢棄滌綸織物層數(shù)的增加而增大。由于廢棄滌綸織物層數(shù)的增加，材料的分界面增加。 由于聲阻抗的不同，聲波在CPE中傳播時(shí)，會(huì)在各分界面發(fā)生折射與反射。另外，聲波在入射到廢棄滌綸纖維時(shí)造成阻礙，從而發(fā)生衍射作用，因此，聲波的傳播路徑變長而衰減了聲能；同時(shí)，廢棄滌綸織物層數(shù)的增加，相當(dāng)于材料的孔隙率增大，也同樣加大了聲波在材料內(nèi)部的傳播距離，達(dá)到消耗聲能的目的?？梢?，復(fù)合材料逐層貼合的層合結(jié)構(gòu)和廢棄滌綸織物內(nèi)部存在的孔隙，使復(fù)合材料的隔聲效果更佳[13]。

2.3 面密度對(duì)隔聲量的影響

圖4示出材料為6層廢棄滌綸織物，材料厚度為6 mm，加壓壓力為10 MPa，面密度分別為0.3、0.5、0.7 g/cm2時(shí)獲得復(fù)合材料的隔聲量曲線。

圖4 不同面密度材料的隔聲量曲線Fig.4 Sound insulation curves of composites with different density

由圖4可知，在測(cè)試頻段范圍內(nèi)，材料的隔聲量隨面密度的增大而增加，這符合質(zhì)量定律。當(dāng)材料的面密度為0.3、0.5、0.7 g/cm2時(shí)，其平均隔聲量分別為23.59、27.00、30.64 dB。在其他條件相同時(shí)，通過控制CPE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來改變材料的面密度時(shí)，主要是CPE的阻尼作用使材料隔聲量發(fā)生改變。聲波作用于材料使其發(fā)生振動(dòng)和形變，應(yīng)力會(huì)先于材料形變而發(fā)生變化，導(dǎo)致材料形變滯后。在特定的溫度與頻率下，這種形變滯后非常顯著，進(jìn)而使聲能衰減達(dá)到減振降噪作用[12-13]。

隨材料面密度增加，即各層的CPE厚度增大，材料的剛性變大。當(dāng)聲波入射到材料時(shí)，廢棄滌綸織物的振動(dòng)相對(duì)減弱，從而使聲能的消耗相應(yīng)減少。當(dāng)面密度繼續(xù)增加，材料的隔聲量增加緩慢，因此，單一的依靠增加材料面密度來提高隔聲量不可取。

2.4 加壓壓力對(duì)材料隔聲量的影響

圖5示出材料在面密度為0.3 g/cm2, 滌綸織物為4層,厚度為4 mm時(shí)，加壓壓力分別為5、10、15 MPa 時(shí)制得復(fù)合材料的隔聲量曲線。

圖5 不同壓力下材料的隔聲量曲線Fig.5 Sound insulation curves of materials under different pressures

由圖5可知，當(dāng)材料的加壓壓力為5、10、15 MPa時(shí)，材料的平均隔聲量分別為18.06、20.47、21.87 dB。每層的CPE和廢棄滌綸織物會(huì)隨加壓壓力增大而結(jié)合更密實(shí)；另外，壓力增大會(huì)使CPE進(jìn)入廢棄滌綸織物的孔隙中，使聲波在材料內(nèi)部的傳播距離變短，同時(shí)阻礙聲波進(jìn)入廢棄滌綸織物內(nèi)部。聲場(chǎng)作用引起織物孔隙間空氣的振動(dòng)、摩擦，導(dǎo)致部分聲能轉(zhuǎn)化為其他能量。此時(shí)，廢棄滌綸織物只能起到協(xié)助降噪作用[12]。

在復(fù)合材料表面，聲波會(huì)發(fā)生透射和反射。增大加壓壓力，會(huì)使廢棄滌綸織物/CPE復(fù)合材料變得密且表面更加光滑。當(dāng)聲波碰到材料密實(shí)且光滑表面時(shí)，則更易發(fā)生反射，從而使聲波的透射大幅度減少，提高材料隔聲性能。

2.5 隔聲量理論分析

隔 聲復(fù)合材料由阻尼材料(CPE)和吸聲材料(廢棄滌綸織物)逐層貼合而成，具有吸聲和隔聲等功能。一般在計(jì)算材料的理論隔聲量時(shí)，通常采用有限元法和邊界元法。此外，也有人用統(tǒng)計(jì)能量分析法研究單層和多層板等隔聲量分析材[14-16]。研究廢棄滌綸織物/CPE復(fù)合材料的隔聲量，對(duì)理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相互比較，從而證明理論方法的準(zhǔn)確性。

隔聲量Tb的計(jì)算公式[17]為

Tb=-20lg|ta|

式中：ta為聲壓透射系數(shù)，是入射波聲壓與透射波聲壓的比值。

圖6示出隔聲量測(cè)試系統(tǒng)的示意圖。

圖6 隔聲量測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.6 Diagram of sound insulation quantity tube measurement system

利用圖6所示隔聲量測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，聲壓透射系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：d1為a與b之間的長度；d2為c與d之間的長度；S1為待測(cè)樣品前端到b的距離；S2為待測(cè)樣品后端到c的距離；H1、H2、H3、H4分別為傳聲器a、b、c、d處測(cè)得的復(fù)聲壓；δ為聲波波數(shù);j為虛數(shù)單位。

由上式計(jì)算得到廢棄滌綸織物/CPE復(fù)合材料的理論隔聲量。材料的理論計(jì)算隔聲量和實(shí)測(cè)隔聲量，如表1所示。從表可得到，在測(cè)試頻率范圍內(nèi)，隔聲量的理論計(jì)算結(jié)果和測(cè)試值基本吻合，二者取得了較好的一致性，但也略有差異。

表1 廢棄滌綸織物/CPE復(fù)合材料的理論計(jì)算和實(shí)測(cè)隔聲量

3 結(jié) 論

采用廢棄滌綸織物與氯化聚乙烯逐層貼合，熱壓制得隔聲復(fù)合材料。首先，通過對(duì)廢棄滌綸織物、純CPE板、廢棄滌綸織物/CPE層合隔音材料的隔聲量曲線分析發(fā)現(xiàn)，廢棄滌綸織物/CPE層合復(fù)合材料的隔聲量最大，即隔聲性能最好。其次，通過改變廢棄滌綸織物層數(shù)、面密度和加壓壓力，制得不同參數(shù)的廢棄滌綸織物/CPE層合復(fù)合材料。通過對(duì)隔聲量曲線分析可知，隨廢棄滌綸織物層數(shù)、材料面密度和加壓壓力的增加，其隔聲量提高。材料在2 000 Hz時(shí)，最大隔聲量可達(dá)40.55 dB,平均隔聲量也達(dá)30 dB以上，是一種優(yōu)異的隔聲材料。最后，通過對(duì)廢棄滌綸織物/CPE復(fù)合材料的理論計(jì)算隔聲量和實(shí)測(cè)隔聲量分析可知，二者具有較好的一致性，表明該理論模型合理正確，其可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)柔性輕質(zhì)隔聲材料的隔聲量。

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Sound insulation properties of waste polyester fabric/chlorinated polyethylene composites

Lü Lihua, BI Jihong, YU Xiang, QIAN Yongfang, ZHAO Yuping

(SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian,Liaoning116034,China)

In order to resolve the problems on the waste textile fibers recycling and the noise pollution in daily life, composites with good sound insulation property were prepared from waste polyester fabric and chlorinated polyethylene (CPE) by a hot-processing method. Firstly, it was found that the sound insulation property of the waste polyester fabric/CPE composites was the best according to the sound insulation curves of waste polyester fabrics, CPE plate and waste polyester fabric/CPE composites. Secondly, the sound insulation properties of the composites which were prepared by changing the waste polyester fabric layer number and density and pressure were tested. It was showed that the sound insulation properties were improved by increasing the waste polyester fabric layer number and density and pressure. Then, the sound insulation quantity of the composites was calculated according to a theoretical model. By comparisons of theoretically calculated and actually measured value of the sound insulation quantity, it is showed that the theoretically calculated values have good match with the actually measured values.

waste polyester fabric; sound insulation property; composite; sound insulation quantity; chlorinated polyethylene

10.13475/j.fzxb.20160506806

2016-05-29

2017-03-04

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(201602051)

呂麗華(1978—)，女，副教授，博士。主要研究方向?yàn)閺U棄纖維再生資源化利用技術(shù)。E-mail:lvlh@dlpu.edu.cn。

TS 102.9

A