丙纶基熔喷非织造材料吸声性能研究Yd16502
班无用1，刘伦贤2，庄兴民1，晏雄1 1、纺织面料技术教育部重点实验室，东华大学纺织学院，上海201620；2、上海捷英途新材料科技有限公司，上海201201
收稿日期：2012-08-01
作者简介：班无用(1989-)，男，在读硕士研究生，主要从事功能性纺织材料研究。
原载：上海纺织科技2013/7；14-16
【摘要】以丙纶熔喷非织造材料为研究对象，通过阻抗管声学分析仪测试非织造材料的吸声性能，研究成核催化剂、中空涤纶短纤及涤纶熔喷非织造材料和丙纶熔喷非织造材料之间的组合结构对丙纶熔喷非织造材料吸声性能的影响。并通过分析其吸声系数的变化，探讨了提高丙纶熔喷非织造材料的吸声性能的途径。
【关键词】熔喷非织造材料；产业用纺织品；吸声材料；性能；吸声系数；成核剂；中空涤纶短纤
【中图分类号】TS176.5：TS101.923.9 文献标识码：A 文章编号：1001-2044(2013)07-0014-03
减少噪声干扰，创造优美的声环境是当今社会关注的一个重要方面，研究者努力开发具有更好吸声降噪效果的新型材料。应用各种纤维或织物制成的复合材料或复合结构被证实是有效提高材料吸声降噪性能的途径之一[1-3]。其中非织造材料作为一种多孔隙纤网织物，由于其具有多孔性、柔软性及弹性，因此非常适合作吸声材料。同时，这种材料的加工成型性好，便于与其他结构复合[4,5]，现在已经广泛应用在汽车、建筑等工业和生活各个领域[6]。而且非织造材料具有工艺流程短、生产效率高、机械化程度高等优点，且随着科学技术进步，可以生产出更多风格、更多性能和更多结构类型的非织造吸声材料，所以，研究如何提高非织造材料的吸声性能具有现实意义。
本文主要探讨成核催化剂、中空涤纶短纤、涤纶(PET)熔喷非织造材料和丙纶熔喷非织造材料之间的组合结构对丙纶(PP)熔喷非织造材料吸声性能的影响。
1 实验部分
1.1 原料
山梨醇系成核剂(cAS)NA-$20，有机磷酸盐类成核剂NA-40，上海晟磐新材料科技有限公司生产；丙烯(PP)切片，上海善其化工有限公司生产；中空涤纶短纤，0.33 tex，长64 mm，仪征市东南化纤原料有限公司生产。
1.2 试样制备
(1)在丙纶切片中分别混入不同种类、不同含量的成核催化剂：0.2％磷酸盐，0.2％山梨醇，0.1％磷酸盐+0.1％山梨醇，0.15％ 山梨醇，0.1％山梨醇，生产不同的丙纶熔喷非织造材料，所得丙纶熔喷非织造材料的厚度均为10 mm，面密度均为400 g／m2。
(2)在熔喷机喷丝孔下方，将规格0.33 tex、64 mm的中空涤纶短纤分别以10％ 、20％、30％、40％、50％、60％ 、70％的比例吹入丙纶短纤之中，生产不同的丙纶熔喷非织造材料，所得产品厚度均为10 mm，面密度均为400 g／m2。
(3)选用如表1所示的3种不同熔喷非织造材料以不同的组合方式得到11种结构的样晶。所得样晶的形态参数见表2。
表1 3种不同熔喷非织造材料样品的形态参数
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项目 |
组分1 |
组分2 |
组分3 |
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成分 |
丙纶 |
涤纶 |
丙纶 |
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直径／µm |
2.3 |
4.09 |
2.3 |
|
厚度／mm |
1.5 |
7 |
1.5 |
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面密度／g/m2 |
140 |
90 |
170 |
表2 11种组合结构样品的形态参数
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组合方式 |
厚度/mm |
面密度／g/m2 |
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112 |
10 |
370 |
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121 |
10 |
370 |
|
132 |
10 |
400 |
|
211 |
10 |
370 |
|
213 |
10 |
400 |
|
231 |
10 |
400 |
|
233 |
10 |
450 |
|
312 |
10 |
400 |
|
321 |
10 |
400 |
|
323 |
10 |
450 |
|
332 |
10 |
450 |
注：表2组合方式中，1代表“组分1”；2代表“组分2”；3代表“组分3”。
1.3 试验方法
材料的吸声性能采用北京声望技术公司的SW260系列阻抗管，以传递函数方法测试系统对样品进行测试。该测试系统组成见图1。
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图1 VA—Leb4 IMP—AT材料测试系统 |
吸声测试执行国际标准10534-2 1998和国家标准GB／T 18696.2-2002《阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分：传递函数法》中关于传递函数法测量吸声系数的测量条件的相关规定。
2 结果与讨论
2.1 成核催化剂对材料吸声性能的影响
2.1.1 不同成核剂对材料吸声性能的影响
按0.2％ 的比例混有成核剂的丙纶熔喷非织造材料和纯丙纶熔喷非织造材料的吸声性能见图2所示。
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图2 混入不同种类成核剂的丙纶熔喷非织造材料的吸声系数曲线 |
由图2看出，山梨醇系成核剂有助于提高丙纶熔喷非织造材料的吸声性能，而磷酸盐类成核剂无此作用；同时，混入0.1％ 山梨醇和0.1％磷酸盐类两种成核剂也有助于提高丙纶熔喷非织造材料的吸声性能，但效果不如混入0.2％ 山梨醇成核剂好。
2.1.2 混入成核剂量对材料吸声性能的影响
混入不同数量山梨醇系成核剂的丙纶熔喷非织造材料的吸声性能见图3所示。
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图3 混入不同数量山梨醇系成核剂的丙纶熔喷非织造材料的吸声系数曲线 |
由图3可以看出，随着混入山梨醇系成核剂含量的增加，丙纶熔喷非织造材料的吸声性能提高。其中混入0.2％时吸声性能最好，但与混入0.15％ 的差距很小，没有明显提高。
成核剂的作用机理是：在聚丙烯熔融状态下，成核剂能使原来的均相成核过程转变成异相成核过程(成核剂提供所需要的晶核)，从而加快了结晶速度，并且使晶粒结构细化，有利于缩短成形周期，提高产品的刚性，保证最终产品的尺寸稳定性[7]。
山梨醇系成核催化剂具有提高丙纶成核催化剂熔喷非织造材料的吸声性能的作用。这是因为成核催化剂可以在丙纶从喷丝孔出来后增加结晶体的产生率，因而可以极大地加快熔喷过程中纤维化过程中的凝固速度，降低了收集纤维时由于纤维丧失其非连续性而混合在一起的趋势，并且在收集纤维时促使纤维保持其非连续性的特性，以形成具有很好伸缩性、弹性十足的织物。表3为混入不同量山梨醇系成核剂的丙纶熔喷非织造材料的结构参数。
表3 混入不同量山梨醇系成核剂的丙纶熔喷非织造材料的结构参数
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项目 |
0.2％山梨醇 |
0.15％山梨醇 |
0.10％ 山梨醇 |
纯丙纶 |
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纤维直径／µm |
0.53 |
0.33 |
0.22 |
0.23 |
|
厚度／mm |
10 |
10 |
10 |
10 |
|
面密度／g/m2 |
400 |
400 |
400 |
400 |
|
透气率／％ |
127.4 |
135.1 |
139.5 |
130.2 |
|
孔隙率／％ |
94.33 |
94.25 |
93.6 |
92.02 |
由表3看出，混入山梨醇系成核剂后，所得熔喷非织造材料的蓬松性好，透气性提高，从而增加了纤维网的微孔和比表面积，声波和材料中纤维的接触时间越长，材料的吸声性能越好。
2.2 中空涤纶对丙纶熔喷非织造材料吸声性的影响
图4是丙纶熔喷非织造材料的吸声性能随混入中涤纶短纤量变化曲线。
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图4 混入不同量中空涤纶短纤的丙纶熔喷非织造材料的吸声系数曲线 |
从图4看出，在丙纶熔喷非织造材料中混人中空涤纶短纤可以提高其吸声性能。混入10％时，低频吸声性能有所提高，其他频段没有明显变化；混入60％时，所得丙纶熔喷非织造材料的吸声性能最好。所以，加入适量的中空涤纶短纤可以提高丙纶非织造材料的吸声性能。这是因为中空纤维外部的三维卷曲结构使得非织造布材料的蓬松性提高，孔隙增加，同时内部微孔的迂曲度提高，这大大增加了声波与纤维接触的比表面积；同时，中空涤纶短纤具有轴向管状空腔，单根纤维内部含有微孔，这在很大程度上增加了声波与材料接触的比表面积，声波在传播过程中会与中空纤维材料有更多的摩擦，进而会使更多的声能转换为热能而耗散掉，从而提高其吸声性能。
2.3 材料组合结构对吸声性能的影响
图5和图6是3种不同材料以不同组合方式制得材料的吸声系数随频率变化的曲线。
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图5 几种不同组合方式的熔喷非织造材料的吸声系数曲线(1) |
从图5可以看出，211、213、231、233和112、132、312、332的吸声性能差距不大，而且均较低。这表明将涤纶熔喷非织造材料面向声源，或将两块丙纶熔喷
非织造材料黏在一起面向声源时，这种组合结构的熔喷非织造材料吸声性能最差。
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图6 几种不同组合 式的熔喷非织造材料的吸声系数曲线(2) |
同时，可以明显看出，图6上的几条曲线的值比图5大，即图6所显示的121、123、321、323这4种组合的吸声性能是所有组合巾最好的，其巾123组合的低频吸声性能最好，而321、323组合的中频吸声性能最好。这表明，当将低面密度的熔喷非织造材料面向卢源时，有助于提高材料的低频吸声性能；而将高面密度的熔喷非织造材料面向声源时，对材料的中频吸声性能有帮助。
3 结语
(1)山梨醇系成核催化剂有助于提高丙纶熔喷非织造材料的吸声性能，且随着加入成核剂量的增加吸声性能提高，但不会无限增大，其中加入0.2％ 山梨醇系成核剂的效果最好。
(2)在丙纶熔喷非织造材料中混入中空涤纶短纤有助于提高其吸声性能，其中混入60％的中窄涤纶短纤时的吸声性能最好。
(3)丙纶熔喷非织造材料的吸声性能与材料的组合结构有关，将一片涤纶熔喷非织造材料贴附在两片丙纶熔喷非织造材料之中，有利于提高组合材料的吸声性能。而低面密度的丙纶熔喷非织造材料面向卢源时，对组合材料的低频吸声性能效果显著。
参考文献：
[1] 陈跃华.纺织材料隔音性能测试研究[J].纺织学报，1996(3)：4-7.
[2] 上海玻璃钢研究所.玻璃钢结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1980.
[3] 周祝林.复合材料产品设计中安令系数的合理选择[J].机械工程材料，1990(6)：34-36.
[4] 周祝林.关于复合材料设计中安全系数的思考[J].玻璃钢／复合材料，1990(4)：7-11.
[5] S·铁摩辛柯，S·沃诺斯基.板壳理论[M].北京：科学出版社，.
[6] 杨树，于伟东，潘宁.纤维集合体的结构特征及其吸声性能[J].声学技术，2010，29(5)：457-461.
[7] 王建文.浅析成核剂在化聚丙烯中的作用[J].翅料制造，2011(12)：69-71