蜂窝织物增强聚氯乙烯复合材料的隔音性能yd13908
杨天兵，傅雅琴 浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江杭州310018
收稿日期：2010-07-15 修回日期：2011-01-23
基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(Y4100213)
作者简介：杨天兵(1984-)，男，硕士生。主要研究方向为纺织复合材料及先进复合技术。傅雅琴，通信作者，E-mail：fuyaqin@yahoo.com.cn
原载：纺织学报2011年6月;65-70
【摘要】为研究蜂窝织物聚氯乙烯(PVC)复合材料的隔音性能，选用58.3 tex×2的棉纱为经纬纱，在自动织样机上织造面密度基本相同而组织循环数不同的蜂窝织物，以埃洛石纳米管(HNTs)填充的PVC为基体，制备蜂窝织物／PVC复合材料，再以蜂窝织物／PVC复合材料为芯材，制备三明治结构复合材料。采用双声道声学分析仪，对制备样品的隔音性能进行测试和分析。结果表明：不同循环数的蜂窝织物对复合材料的隔音效果有很大影响，当组织循环数为6时，复合材料显示了良好的隔音效果；对于蜂窝织物复合材料作为芯材的三明治结构复合材料而言，组织循环数为6时，对低频具有良好的隔音性能，组织循环数为14时，对高频率具有良好的隔音性能。
【关键词】蜂窝织物；复合材料；聚氯乙烯；隔音性能
【中图分类号】X593 文献标志码：A 文章编号：0253-9721(2011)06-0065-06
噪声污染已经严重影响人们的生产生活，因此，降噪材料的研究开发引起了各国学者的关注。目前，降噪的方法主要有隔音、吸音和消声，其中在隔音领域，单一材料在实际应用中存在一定的局限性，因此对隔音复合材料的研究开发具有十分重要的意义。
纤维作为多孔材料具有综合的吸音隔音效果，作为一种质轻、柔软的降噪材料而备受关注。Sezgin Ersoy等[1] 研究了工业废茶纤维制成的板材与机织物和非织造布层及其背后空腔等结构对吸音性能的影响。Hur BY等用相对密度为0.6，厚度为10 mm的烧结铝纤维作为吸音材料，在频率为800～2 000 Hz范围内吸声系数达到0.7[2]。纺织纤维具有一定的长度、细度，其弹性、强力等性能良好，还具有较好的化学稳定性。国内外将纺织材料引入隔音复合材料领域的研究已经有很多[3-5]。本课题前期研究采用常压浇注工艺，制备了一系列超薄、质轻、柔韧的玻璃纤维／聚氯乙烯隔音复合材料[6]，并发现织物参数对隔音性能具有明显的影响[7]。
蜂窝织物是织物表面有规则的、边高中低的四方形凹凸花纹，纹路外观状如蜂巢。它是在平纹组织中显著增加经浮长和纬浮长而得到。其规律为以交织点多的向交织点少的逐渐过渡，然后再由交织点少的向交织点多的逐渐过渡。交织点多处为平纹组织，占据较大的平面空间，形成平整的低洼区，显得较薄。而交织点少的浮线区域，因交织点少，将被多个交织点挤压，形成密集隆起的弯凸纹，而且疏松、显厚。由于其特殊的结构特点，已开始在隔音复合材料领域得到研究和应用，但蜂窝结构参数对隔音性能的影响未见报道。为此，本文采用蜂窝织物与PVC复合制成蜂窝织物增强PVC复合材料，对复合材料的隔音性能及其结构参数与隔音性能之间的关系进行研究，并研究蜂窝织物及其复合材料作为夹芯层结构的隔音性能，研究结果对优化结构、推进蜂窝织物的应用具有重要意义。
1 实验材料及方法
1．1 原材料
杭州千汇纱线有限公司生产的58.3 tex×2棉纱；天津渤海化工有限责任公司生产的P-450聚氯乙烯(EPVC)粉末；杭州金生塑化公司生产的邻苯二甲酸二正辛酯(DOP)；实验室粉碎筛选的埃洛石纳米管(HNTs)；玻纤织物／PVC复合材料，厚度为0.36 mm，面密度为0.639 6 kg／m2 ，作为三明治结构复合材料的蒙皮。
1．2 织物试样织造
选用58.3 tex×2棉纱，在ASL2000-20-6型自动织样机上织造6种不同组织循环数的蜂窝织物，织物的经密为200根／10cm，纬密为150根／10cm，具体参数如表1所示。
表1 蜂窝织物有关参数
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组织循环数 |
表面厚度/mm |
面密度/(g/m2) |
透气量/(L/m2·s) |
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R=4 |
0.694 |
309 |
68.3 |
|
R=6 |
0.756 |
317 |
73.1 |
|
R=8 |
0.818 |
315 |
97.1 |
|
R=10 |
1.181 |
312 |
103.5 |
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R=14 |
2.403 |
307 |
187.2 |
|
R=16 |
2.485 |
318 |
308.6 |
1．3 试样的制备
取DOP 60 g，加人HNTs超声处理20 min，与60 g EPVC均匀混合后浇注到蜂窝织物(HNTs含量为8％)上，在160℃恒温箱中烘15 min，迅速冷却即可制得纺织复合材料。HNTs的加入可以减少成本并能改善PVC基体的隔音性能。
1．4 织物表面厚度测试
使用FAST-1压缩性测试仪测试织物的表面厚度。每个试样测5次，取其平均值，并根据下式计算蜂窝织物的表面厚度。
ST = Tl - T2
式中：ST 为表面厚度；Tl 为负荷在196 Pa的平均厚度；T2为负荷在9.8 kPa的平均厚度。
1．5 透气性能测试
参照GB／T 5453-1997《纺织品织物透气性的测定》，采用YG461D型数字式织物透气量仪测试织物的透气率。试样面积为5 cm2 ，压差为100 Pa，每个试样测10次，取其平均值。
1．6 隔音性能测试
采用北京声望公司生产的BSWAVS302USB双声道声学分析仪测试材料的隔音性能，测量装置如图1所示。采用Spectra LAB软件分析数据，选择非计权网络，声压级为90 dB的粉红背景噪声源和常用的1／3倍频程作为研究对象，其中静音箱体积为1 000 mm×l 000 mm×1 000 mm，声音的取样频率为48 000，抽取速率选择位为1，快速傅里叶变换样本数取4 096。
材料的隔音性能用声音透过衰减量R表示，其计算公式[8]为
式中：Ii为声波的入射强度；， It为声波透过隔音材料后的透过强度；τ为声音的透过率；Ei 为声波入射能量；Eτ 为声波的透过能量。
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图1 隔音测试系统 |
1．7 拉伸性能测试
以GB／T 1447-1983《玻璃纤维增强塑料拉伸实验方法》为依据，采用RGM200A型电子万能材料实验机进行测试。样品尺寸为250 mm×25 mm，夹距为180 mm，速度为30 mm／min。为保证拉伸时试样端部不首先破坏，在拉伸试样时两端分别粘贴规格为50 mm×25 mm×2.5 mm的铝质加强片，每个数据均为4个试样有效测试结果的平均值。
2 结果与与讨论
2．1织物及其复合材料的相关参数
图2为不同循环数的蜂窝织物的组织图。从图中可以看出，不同循环数的交织点亦不同。
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图2 蜂窝织物有关参数 |
表1示出蜂窝织物试样与隔音性能相关的基本参数。从表可以看出，在蜂窝织物面密度基本相同时，组织循环数对表面厚度和透气性有较大的影响。随着织物组织循环数的增大，表面厚度和透气性也增大。
蜂窝织物／PVC复合材料与隔音性能相关的参数见表2。从表可以看出，复合材料面密度和纤维含量基本相同，组织循环数不同导致复合材料的表面厚度存在明显的差异。
表2 蜂窝织物／PVC复合材料有关参数
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组织循环数 |
表面厚度/mm |
面密度/（kg/m2) |
纤维含量/% |
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R=4 |
1.9 |
2.072 |
14.9 |
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R=6 |
2.0 |
2.024 |
15.7 |
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R=8 |
2.9 |
2.012 |
15.7 |
|
R=10 |
3.7 |
2.060 |
15.1 |
|
R=14 |
4.4 |
2.108 |
14.6 |
|
R=16 |
5.1 |
2.092 |
15.2 |
2．2 织物组织循环数对透气性的影响
材料的空气流阻是影响多孔材料隔音性能的重要因素之一[9]。空气流阻反映空气通过多孔材料阻力的大小，单位厚度材料的流阻称为比流阻。比流阻越大，空气透过量越小，织物透气性越差，即声音透过量越小，隔音性能越好。本文对不同织物组织进行了透气性研究，织物透气性测试结果见表1。由表可知，蜂窝织物透气性随组织循环数的增大而增大，R=16时织物的透气性最好。空气透过织物有2种途径：一是织物纱线间的空隙；二是纱线内纤维间的空隙[10]。因为棉纱线线密度均为58.3 tex×2，因此棉纤维间的空隙对透气性的影响基本相同，忽略不计，但棉纱线间的空隙不同。本文R=4时蜂窝组织循环数较小，纱线排列紧密，纱线间的空隙越细密，气体通透量越小，致使织物的透气性较差。
2．3 材料的隔音性能
材料的隔音性能与质量定律有密切关系，可以用来预测材料的隔音性能，其声音透过衰减量可由下式[11]得到：
式中：∫为频率，Hz；ρ为面密度，kg／m2；D为材料厚度。纺织材料作为一种特殊的降噪材料，其降噪性能集隔音机制与吸音机制于一体。具体地说，织物隔音量主要是由声波在织物表面的反射部分及透过织物后被织物吸收部分所组成。
图3示出不同蜂窝组织织物的衰减量与频率曲线。从图可以看出，织物的隔音性能在中频时较低频和高频差。主要由于中频区域是质量控制区，而织物的面密度较小，导致隔音量下降。随着组织循环数的增大，蜂窝织物的隔音性能呈下降趋势。图中R=4和R=6与其他4种结构相比隔音量较大。
主要是由于R=4和R=6的纱线排列紧密，纱线间孔隙率较小，透气性较差。其他4种结构的纱线排列较疏松，透气性好，隔音效果差。特别是R=14和R=16的织物，透气性较好，织物空隙分布变异较大，存在一个完全连通的通道，空气流阻较小，纤维与空气的摩擦较小，声能转化为热能的机制并不明显，此时的隔音主要是织物表面纤维自身对声波的反射作用，因此在蜂窝织物面密度接近时，R=6的隔音性能优于其他结构。在此也验证了织物的隔音性能与其透气性能有密切关系。
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图3 织物不同组织循环数时衰减量与频率曲线 |
图4示出纺织复合材料不同组织循环数时衰减量一频率曲线。由图可以看出，复合材料的隔音性能明显优于蜂窝织物，在E型PVC中加入棉纤维后，限制了PVC大分子链的运动，应变、应力的增加相对滞后，材料的模量明显提高，其介质损耗和玻璃化转变温度也相应的发生改变。当声波入射时，在材料中传播要克服更大的阻力，使得声能消耗增大，达到隔音的效果[6]。织物循环数对复合材料的隔音性能有明显影响，在中低频区域，R=6时隔音效果最好，一方面是由于此时复合材料的表面积较小，实际厚度比R>6的复合材料大；另一方面是表面效应比R=4时强，二者协同使其隔音性能相对较好。
从图中还可以看出，从2 000 Hz开始，随着频率的增大，R=4和R=6的隔音效果相对于R=8～14隔音效果开始下降。R=16时，复合材料的表面效应虽然好于其他材料，但表面积变大，在面密度相近的情况下，实际厚度相对较小，使声波透过相对容易，二者协同作用使其综合隔音性能较其他复合材料差。从图3和图4还可以看到，在中高频区域，蜂窝织物的隔音曲线和复合材料的隔音曲线趋势有差异，主要是由于与复合材料相比，蜂窝织物有较大透气性，使其对高频噪音的隔音效果不明显，而复合材料几乎是不透气的，隔音效果符合质量定律，因此，曲线几乎是单边上扬。
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图4 复合材料不同组织循环数时衰减量与频率曲线 |
多层隔音问题是声学领域一个经典的研究课题，国内外许多学者都利用经典的多层隔音理论和实验来研究多层结构的隔音量。而蜂窝夹芯板具有质轻等优良的特性，近年来备受关注。当声波从面板入射到夹芯板时，声压首先作用在面板上并引起此面板的振动。该振动通过2条路径传输到另一面板，一条是由空腔中的空气传播，另一条则是由蜂窝组织边缘传播[12]。
图5示出蜂窝织物为芯层和蜂窝织物／PVC复合材料为芯层不同组织循环数下的衰减量与频率曲线。为了统一，蒙皮采用厚度为0．36 mm、面密度为0．639 6 kg／m 的玻璃纤维／PVC复合材料[6]。
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图5 夹芯层不同组织循环数时衰减量与频率曲线 |
由图4、5可知，蜂窝织物、蜂窝织物／PVC复合材料分别作为夹芯层的复合结构，其隔音量趋势与芯层材料类似，但是以蜂窝织物为芯层的三明治夹芯结构复合材料，虽然面密度比蜂窝织物／PVC复合材料小，但隔音量却明显增大，特别是蜂窝织物夹芯结构在高频区域隔音量明显提高。蜂窝织物／PVC复合材料作为夹芯层的材料与蜂窝织物作为夹芯层的材料相比，在低频区域隔音优势较明显，中高频没有明显的优势。但是复合材料夹芯层可以改变复合结构板的强度，起到稳定尺寸等作用。
从图5中还可以看出，在中高频区域内，R=14和R=16时复合结构的隔音量要比其他结构的隔音量大。说明在吻合效应区，R=14和R=16时复合结构减弱材料吻合效应的情况较好，获得了较高的隔音量。而R=6时，在低频显示了良好的隔音性能。
2．4 夹芯层的拉伸性能
作为隔音材料，除了具有优良的隔音性能外，还要具有良好的力学性能。图6示出夹芯层复合材料沿经向和纬向的拉伸强度、断裂伸长率与织物组织循环数关系曲线。从图可以看出，经向拉伸强度明显高于纬向。其主要原因在于经密和纬密的不同。经密大，等同于在经向上棉纤维的体积分数高，同时承受拉伸的棉纤维根数多，因而拉伸强度高，反之亦然。从图6(a)中可看出，复合材料经向拉伸强度和伸长率随蜂窝织物组织循环数的增大而减小。主要是因为试样要达到基本相同的面密度，每个试样所用的树脂量基本相同，当R=4时，由于织物表面厚度薄，基体易覆盖整个织物，拉伸时，基体和织物的受力相对均匀，导致断裂伸长率较大，随着R值的增大，基体无法完全填充峰窝，造成拉伸过程中的应力集中。而纬向由于纬密相对较小，虽然开始时随着R值的增大，基体无法完全填充峰窝，造成拉伸过程中的应力集中，而使伸长率减少，当R值继续增大时，织物组织出现松弛，基体在纬线方向易连成一体，减少了应力集中现象，从而使伸长率增加(见图6(b))。
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图6 蜂窝织物组织循环数与复合材料夹芯层拉伸强度及断裂伸长率的关系 |
3 结 论
1)蜂窝织物组织循环数对蜂窝织物／PVC复合材料的隔音性能有较大的影响；在面密度基本相同的情况下，组织循环数为6时复合材料的隔音性能最佳。
2)蜂窝织物／PVC复合材料作为夹芯层制备的三明治结构复合材料具有良好的隔音性能，且隔音曲线形状与芯层类似。当组织循环数为14时，对高频有良好的隔音效果，而组织循环数为6时，对低频噪音起到良好的隔音效果，因此，可以根据不同的使用场合，选择不同的蜂窝组织循环数。
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