張書誠(chéng)，邢 劍，徐珍珍

(安徽工程大學(xué) 安徽省紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國(guó)際聯(lián)合研究中心，安徽 蕪湖 241000)

聚苯硫醚(PPS)作為一種高性能纖維，具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性、熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的阻燃性和良好的力學(xué)性能，由其經(jīng)過(guò)針刺或水刺加工制備的濾袋已成為燃煤電廠的首選濾料[1-4]。由其制備的袋式除塵裝置除塵效率可達(dá)到99.99%以上，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的高溫除塵領(lǐng)域[5-6]；但在整個(gè)使用過(guò)程中，濾袋的過(guò)濾性能會(huì)持續(xù)劣化以致失效，因此濾袋每隔數(shù)年需要更換，更換成本較高，而且更換下來(lái)的廢棄PPS濾袋數(shù)量巨大，且廢棄濾袋中附著有大量的粉塵及污染物，在自然界中難以降解，若處理不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染[7-10]。通過(guò)對(duì)廢棄PPS濾袋進(jìn)行性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其力學(xué)性能保持良好。由于價(jià)格較高，因此高效回收利用廢棄PPS濾料成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題，也具有重要的科學(xué)研究意義和社會(huì)意義。

隨著現(xiàn)代工業(yè)與信息的發(fā)展，噪聲污染越來(lái)越突出，嚴(yán)重影響了人們的身心健康(嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致心血管疾病)、生活質(zhì)量和生活中各種設(shè)備的壽命[11-13]，因此噪聲防治也已成為社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。吸聲材料是指降低聲音反射，改善聲學(xué)環(huán)境，可以將聲能轉(zhuǎn)化為熱能的吸聲材料，目前吸聲材料主要可以分為多孔、共振和特殊結(jié)構(gòu)等3類，其中多孔吸聲材料因內(nèi)部具有大量的孔隙，當(dāng)聲波入射到材料內(nèi)部時(shí)，由于聲波與空氣之間的黏滯力和摩擦力作用使得聲波逐漸轉(zhuǎn)化為熱能而逸散，并且聲波頻率越高，吸聲效果越好[14-17]。

PPS濾料主要是采用針刺或水刺方式將PPS短纖維網(wǎng)與基布加固在一起制備，其具有三維立體結(jié)構(gòu)，纖維之間柔性纏結(jié)，并且內(nèi)部具有大量細(xì)小的孔隙，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，PPS濾料可作為多孔結(jié)構(gòu)吸聲材料，通過(guò)內(nèi)部纖維的摩擦、空氣摩擦和熱交換來(lái)達(dá)到吸聲效果。本文前期將廢棄PPS濾料堿洗干燥處理，對(duì)其力學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性、結(jié)晶行為進(jìn)行研究，結(jié)果表明廢棄PPS濾料完全具有可回收利用的價(jià)值[18]，之后選擇聚氨酯(PU)膜作為黏結(jié)材料，因PU膜本身具有良好的耐磨性能，柔韌性好，并且具有高抗撕裂性以及耐熱老化[19-20]，對(duì)聲音的傳播起到一定的阻尼作用，加上自身獨(dú)特的黏合性，是作為黏結(jié)材料的最優(yōu)選擇，故將不同層數(shù)的PPS濾料與PU膜進(jìn)行熱風(fēng)黏合制備吸聲復(fù)合材料，對(duì)復(fù)合材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及吸聲隔聲性能進(jìn)行測(cè)試與分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及材料

廢舊PPS濾料(PPS+PTFE基布材質(zhì))，安徽元琛環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆粴溲趸c(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；PU薄膜(厚度規(guī)格分別為0.2、0.1、0.05 mm)，東莞市金達(dá)塑膠電子有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

YG141D型數(shù)字式織物厚度儀(溫州方圓儀器有限公司)，KS-7200DE型超聲波清洗器(昆山潔力美超聲儀器有限公司)，DHG-9075A型電熱鼓風(fēng)烘箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，ZF-621型垂直法阻燃性能測(cè)試儀(青島眾邦儀器有限公司)，YG026D型電子織物強(qiáng)力機(jī)(江西貝諾儀器有限公司)，S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，VA-Lab型噪聲振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(中科新悅(蘇州)科技有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 堿洗實(shí)驗(yàn)

將廢舊PPS濾袋分縱橫向各裁剪成10塊 30 cm×30 cm 的樣本，將濾袋樣品浸泡于4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉溶液中4 h，然后將樣品置于超聲波清洗器中超聲波處理1 h，再將樣本放入電熱鼓風(fēng)烘箱中80 ℃下保持12 h烘干，樣品取出后備用。

1.3.2 熱風(fēng)成型

將堿洗后的廢舊PPS濾袋分別與不同厚度的PU膜按照不同疊層方式進(jìn)行熱風(fēng)黏合成型處理(熱風(fēng)溫度為150 ℃，時(shí)間為3 min)，制成5層試樣和3層試樣，其疊層方式分別為PPS+PU+PPS+PU+PPS，PPS+PU+PPS。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 表面形貌觀察

將復(fù)合材料進(jìn)行表面以及截面噴金處理，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡拍照，觀察樣品表面形貌以及截面結(jié)構(gòu)，掃描電壓為5 kV。

1.4.2 阻燃性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 5455—1997《紡織品燃燒性能實(shí)驗(yàn)垂直法》對(duì)單層PPS、單層PU膜以及2種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料進(jìn)行阻燃性能測(cè)試，每種樣品測(cè)試5塊，計(jì)算平均值。

1.4.3 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分 厚度的測(cè)定》測(cè)試不同層數(shù)復(fù)合材料厚度，試樣規(guī)格為半徑6 cm的圓，每種結(jié)構(gòu)測(cè)試5塊，取平均值；根據(jù)GB/T 35463—2017《木塑復(fù)合材料及制品體積密度的測(cè)定方法》計(jì)算復(fù)合材料面密度，試樣規(guī)格為半徑6 cm的圓，每種結(jié)構(gòu)測(cè)試5塊，取平均值。

根據(jù)GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能和頂破性能的測(cè)試，每種試樣測(cè)5塊，取平均值。根據(jù)濾料中間層PTFE纖維排列方式，將復(fù)合材料分別制備成縱向樣品、橫向樣品，其中拉伸測(cè)試樣品規(guī)格如圖1所示，頂破性能測(cè)試樣品規(guī)格如圖2所示。

圖2 頂破性能測(cè)試樣品規(guī)格

1.4.4 吸聲隔聲性能測(cè)試

將復(fù)合材料分別制備成半徑為6和2.5 cm的圓形樣品，通過(guò)噪聲振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料的吸聲和隔聲性能進(jìn)行測(cè)試，其中半徑為2.5 cm樣品的測(cè)試頻率為1 600～6 300 Hz，半徑為6 cm樣品的測(cè)試頻率為63～1 600 Hz，每種規(guī)格的樣品分別測(cè)試3塊，計(jì)算平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料形貌特征

利用掃描電鏡(SEM)對(duì)PPS濾袋和復(fù)合材料表面與截面微觀形貌特征進(jìn)行觀察，如圖3所示。由圖可見：通過(guò)堿洗處理的PPS濾袋纖維表面仍然附著有少量粉塵顆粒，但纖維總體上并沒有出現(xiàn)較多破損斷裂的現(xiàn)象，并且纖維間的空隙孔洞比較多；通過(guò)截面圖可以看出，PPS濾袋是由各種粗細(xì)不勻的纖維相互纏結(jié)在一起所制成，正是由于其織造方法，使得PPS濾袋具備良好的力學(xué)性能；復(fù)合材料表面與PPS濾袋纖維表面沒有較大的區(qū)別，同樣附著有少量粉塵顆粒，通過(guò)復(fù)合材料的截面圖可以看出，材料內(nèi)部變得更加緊實(shí)，纖維間的空洞孔隙變小，變得更加致密，中間層明顯有PU膜熔融后形成的黏結(jié)物，截面也變得更加平整，零散排布的纖維根數(shù)減少。

圖3 PPS濾袋與復(fù)合材料的SEM照片

2.2 材料阻燃性能分析

表1示出不同材料阻燃性能測(cè)試結(jié)果。由表可知，與單層PPS濾料相比，復(fù)合材料的阻燃性能略有下降，但總體阻燃性能優(yōu)異，原因?yàn)閺?fù)合材料中增加了PU膜，PU膜自身阻燃性能較差，故使得復(fù)合材料的阻燃性能受到影響。

表1 不同材料阻燃性能測(cè)試結(jié)果

2.3 復(fù)合材料厚度與面密度分析

表2、3分別示出不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料厚度和面密度的對(duì)比圖。由表可知：隨著PU膜厚度的增加，復(fù)合材料的厚度也略有增加，3層試樣結(jié)構(gòu)中，隨著PU膜從0.05 mm增加到0.2 mm時(shí)，厚度增長(zhǎng)率分別為1.3%、1.7%；5層試樣結(jié)構(gòu)中，增長(zhǎng)率分別為1.2%、1.4%。通過(guò)該數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)率略有差異，原因?yàn)镻PS濾袋本身的厚度不均勻性，以及在熱風(fēng)成型過(guò)程中，部分PU膜在高溫作用下發(fā)生熔融滲入到PPS結(jié)構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)致厚度增加不均勻。由表3可知，隨著PU膜厚度的增加，復(fù)合材料的面密度呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，3層試樣結(jié)構(gòu)中，隨著PU膜從0.05 mm增加到0.2 mm時(shí)，面密度增長(zhǎng)率分別為6.5%、17.1%；5層試樣結(jié)構(gòu)中，增長(zhǎng)率分別為5.2%、14.3%。由數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)3層試樣結(jié)構(gòu)中面密度的增長(zhǎng)趨勢(shì)要略高于5層試樣結(jié)構(gòu)。

表2 不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料厚度測(cè)試結(jié)果

表3 不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料面密度測(cè)試結(jié)果

2.4 復(fù)合材料拉伸性能分析

表4、5分別示出不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)比數(shù)據(jù)。由表4可知，在3層試樣結(jié)構(gòu)中，隨著PU膜厚度的增加，復(fù)合材料縱橫向斷裂強(qiáng)力也隨之增加，當(dāng)膜厚從0.05 mm增加到0.2 mm時(shí)，復(fù)合材料縱橫向斷裂強(qiáng)力分別增加0.4%、4.1%；5.9%、11.0%；5層試樣結(jié)構(gòu)中，膜厚從 0.05 mm 增加到0.2 mm時(shí)，復(fù)合材料縱橫向斷裂強(qiáng)力分別增加1.4%、3.4%；2.0%、3.0%。通過(guò)2組數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同種結(jié)構(gòu)中，縱向斷裂強(qiáng)力始終低于橫向斷裂強(qiáng)力，原因?yàn)闉V料中間層PTFE纖維的經(jīng)密小于緯密，從而使得濾料縱向向斷裂強(qiáng)力低于橫向斷裂強(qiáng)力。如表5所示，3層試樣結(jié)構(gòu)的縱橫向斷裂伸長(zhǎng)率均小于5層試樣結(jié)構(gòu)，并且同種結(jié)構(gòu)中，即使更換不同厚度的PU膜，縱橫向斷裂伸長(zhǎng)率也相差無(wú)幾，說(shuō)明隨著復(fù)合材料厚度的增加，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨之下降，原因?yàn)閺?fù)合材料厚度增加，其抗拉性能增加，拉長(zhǎng)變形能力減弱。

表4 不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料縱橫向斷裂強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果

2.5 復(fù)合材料頂破性能分析

表6、7分別示出不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料頂破強(qiáng)力與變形量對(duì)比數(shù)據(jù)。由表6可知，5層試樣結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的頂破強(qiáng)力較3層試樣結(jié)構(gòu)增加了43.1%，頂破時(shí)變形量增加了5.0%。在3層試樣結(jié)構(gòu)中，膜厚從0.05 mm增加到0.2 mm時(shí)，頂破強(qiáng)力分別增加6.3%、11.4%，變形量分別增加1.9%、5.6%；在5層試樣結(jié)構(gòu)中，膜厚從0.05 mm增加到0.2 mm時(shí)，頂破強(qiáng)力分別增加5.7%、13.0%，變形量分別增加6.6%，14.3%。由數(shù)據(jù)可知，隨著復(fù)合材料厚度的增加，其頂破強(qiáng)力與變形量均隨之增加，并且在同種結(jié)構(gòu)中，隨著PU膜厚度的增加，復(fù)合材料頂破強(qiáng)力增加，變形量增加，原因?yàn)镻U膜越厚，其抗壓能力越強(qiáng)，且形變量越大。

表6 不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料頂破強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果

表7 不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料頂破變形量測(cè)試結(jié)果

2.6 復(fù)合材料吸聲性能分析

圖4示出不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料吸聲性能對(duì)比圖。一般將平均吸聲系數(shù)大于等于0.2的材料稱為吸聲材料，大于等于0.5的材料稱為理想的吸聲材料[21]。由圖4可知：?jiǎn)螌覲PS濾料隨著測(cè)試頻率的提高，吸聲系數(shù)也隨之增加，最高可達(dá)0.3；單層不同厚度的PU膜在低頻階段，吸聲系數(shù)幾乎接近于0，在中高頻階段開始提升，其中0.2 mm厚度的PU膜吸聲系數(shù)最高可達(dá)0.68。圖4(b)中3層結(jié)構(gòu)試樣吸聲系數(shù)在1 000 Hz時(shí)達(dá)到最大，為0.25，隨著頻率的提高，吸聲系數(shù)呈現(xiàn)先下降再增加的趨勢(shì)，在6 300 Hz時(shí)達(dá)到0.23；圖4(c)中5層結(jié)構(gòu)試樣吸聲系數(shù)在1 000 Hz達(dá)到0.27，隨著頻率的提高，吸聲系數(shù)呈現(xiàn)先下降再增加的趨勢(shì)，在6 300 Hz時(shí)達(dá)到0.28。通過(guò)數(shù)據(jù)圖可知，2種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的吸聲系數(shù)均低于單層PPS濾料與單層不同厚度PU膜，原因?yàn)樵跓犸L(fēng)黏合成型過(guò)程中，PU膜由于受到高溫作用，部分發(fā)生熔融滲入到PPS內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部的空隙孔洞黏合，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得致密，孔隙率降低，從而使復(fù)合材料的吸聲性能降低。在復(fù)合材料中，隨著PU膜厚度的增加，復(fù)合材料吸聲系數(shù)反而降低，原因?yàn)楫?dāng)聲能入射到復(fù)合材料內(nèi)部時(shí)，聲波引起小孔或材料纖維間孔隙中的空氣運(yùn)動(dòng)，使得孔內(nèi)空氣與孔壁摩擦，因摩擦和黏滯力的作用，使一部分聲波轉(zhuǎn)化為了熱能[17]，由于孔隙率的降低，使得被轉(zhuǎn)化的聲能減少，故引起吸聲系數(shù)減小，也正是較厚的PU膜熔融滲入的比例較多，故出現(xiàn)吸聲系數(shù)與PU膜厚呈負(fù)相關(guān)情況。

圖4 不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料吸聲性能對(duì)比圖

2.7 復(fù)合材料隔聲性能分析

隔聲是將空氣中傳播的噪聲隔絕、隔斷和分離等，包括吸聲和反射。平均隔聲量(TL)是各個(gè)中心頻率下隔聲量的算術(shù)平均值，一般認(rèn)為聲強(qiáng)透射系數(shù)τ越小，平均隔聲量TL越大，材料的隔聲性能越好[21]。圖5示出不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料隔聲性能對(duì)比圖。

圖5 不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料隔聲性能對(duì)比

由圖5可知，單層PPS濾料隨著測(cè)試頻率的提高，傳遞損失先減少再保持平緩，在63 Hz時(shí)最大，為13.8 dB；單層不同厚度的PU膜隨頻率的增加，傳遞損失呈先下降后上升的趨勢(shì)，在 6 300 Hz 時(shí)達(dá)到最高，為20 dB，并且傳遞損失大小與膜厚呈正相關(guān)。圖5(b)的3層結(jié)構(gòu)中，在低頻63～400 Hz之間時(shí)，復(fù)合材料傳遞損失呈現(xiàn)出先下降，再劇烈上升，再急速下降的趨勢(shì)，傳遞損失最高可達(dá)25 dB，隨著頻率的繼續(xù)上升，傳遞損失也隨之增加，當(dāng)頻率上升到6 300 Hz時(shí)，傳遞損失達(dá)到最高為37 dB；圖5(c)的5層結(jié)構(gòu)中，在低頻63～400 Hz時(shí)，復(fù)合材料傳遞損失也呈現(xiàn)出急速下降，再迅速上升，又快速下降的趨勢(shì)，最高可達(dá)29 dB，隨著頻率的繼續(xù)上升，傳遞損失也繼續(xù)增加，當(dāng)頻率上升到2 500 Hz左右時(shí)，傳遞損失出現(xiàn)小幅度下降，隨后又略有增加，當(dāng)頻率增加到 3 000 Hz 后，復(fù)合材料傳遞損失基本處于平衡狀態(tài)，但傳遞損失大小與膜厚呈現(xiàn)正相關(guān)，最高可達(dá)41 dB。通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，與單層PPS濾料以及單層不同厚度PU膜相比復(fù)合材料的傳遞損失提升效果明顯，隔聲性能有效提高。并且在復(fù)合材料同種結(jié)構(gòu)中，傳遞損失與膜厚呈正相關(guān)，與吸聲系數(shù)恰恰相反，說(shuō)明復(fù)合材料厚度越厚，面密度越大，對(duì)其高頻階段隔聲性能越好，但是當(dāng)厚度增加到一定程度后，盡管噪聲頻率持續(xù)上升，其隔聲性能也不再繼續(xù)提高。

3 結(jié) 論

1)堿洗處理的濾袋表面依然殘留少量粉塵顆粒，但并未出現(xiàn)纖維破損斷裂的現(xiàn)象，纖維間孔隙較多，熱風(fēng)黏合成型處理后，纖維間的孔隙減少，聚苯硫醚(PPS)內(nèi)部變得致密。

2)熱風(fēng)黏合成型處理后的復(fù)合材料，在同種結(jié)構(gòu)中，其厚度、面密度、縱橫向斷裂強(qiáng)力以及頂破強(qiáng)力均與聚氨酯(PU)膜厚度呈現(xiàn)正相關(guān)，復(fù)合材料阻燃性能依舊保持良好。

3)2種結(jié)構(gòu)中，其吸聲系數(shù)呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，并且其大小與膜厚呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，高頻階段最大可達(dá)0.27，吸聲性能欠佳，其傳遞損失大小與膜厚卻呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，PPS+PU+PPS+PU+PPS結(jié)構(gòu)在高頻階段最高可達(dá)41 dB，隔聲性能良好。