针刺中空短纤非织造布层合涤纶增强橡胶基材料的吸声性能*

洪 杰

1.江苏工程职业技术学院，江苏 南通 226001；2.江苏省先进纺织工程技术中心，江苏 南通 226001

以橡胶为基体、中空涤纶短纤为增强体制取的复合材料具有多孔吸声材料的特性，但其在低于1 500 Hz的中低频域的吸声性能较差，通过增加短纤使用量和提高材料厚度可在一定程度上改善材料的吸声性能[1-2]；还可通过在材料背部设置空腔或与穿孔板复合等方式改进材料的吸声性能，但这会使得材料厚度增加、制取过程更复杂、需设置很深的背部空腔从而导致空间结构增大等问题，造成生产成本增加、材料的实际使用受到限制[3-4]，[5]21。以非织造布形式呈现的纤维类吸声材料具有多孔吸声材料的特性，但其仅在中高频域具有很好的吸声特性[6-7]。若要其在中低频域也具有良好的吸声性能，需大幅提高材料厚度或在材料背部设置空腔，这也将导致材料厚重、空间结构增大、制取复杂及资源浪费等问题[8-9]。将上述两类材料结合使用，可在相对轻薄的情况下，实现材料在各频域均具有良好的吸声性能，有助于促进材料的工程实际应用。

本文将四孔中空涤纶短纤增强氢化羧基丁腈橡胶基材料(简称“HF材料”)与针刺中空短纤非织造布层合，并通过改变HF材料厚度及针刺中空短纤非织造布的类型，制备系列双层、三层材料。探究了所得层合材料的吸声性能及其作用机理，力求实现材料较轻薄的同时，在中低频域的吸声性能显著改善，同时在中高频域也具有较优的吸声性能，即实现材料在更宽频率范围内更好的吸声特性。

1 材料制备

1.1 原材料

制作HF材料采用的氢化羧基丁腈橡胶(简称“HXNBR”)由德国朗盛公司生产，产品牌号为Therban XT VP KA 8889；采用的四孔中空涤纶(简称“FHHPF”)由中国石化仪征化纤股份有限公司生产，纤维线密度为0.833 tex，长60 mm。

针刺中空短纤非织造布所用单孔中空涤纶短纤的线密度为0.667 tex，长64 mm，中国石化仪征化纤股份有限公司生产；所用木棉纤维标称A级，从印度尼西亚进口，外观色泽为黄棕色，纤维线密度为0.090～0.320 tex，平均线密度为0.125 tex，纤维长8～32 mm，纤维直径均值为23.41 μm。

1.2 层合材料的制备

根据文献[1]所述方法，制取HXNBR与FHHPF质量比为70∶30、厚度分别为1和2 mm的HF材料。采用针刺法制取两种针刺中空短纤非织造布：厚3 mm、面密度为300 g/m2、实测孔隙率为90%的针刺单孔涤纶短纤非织造布(简称“NP”)和厚10 mm、木棉与单孔中空涤纶短纤质量比为70∶30、面密度为290 g/m2、实测孔隙率为94%的针刺木棉/单孔中空涤纶短纤非织造布(简称“NKP”)。在无锡市创成橡塑机械有限公司生产的QLB-50D/Q型平板硫化机上，按要求对所得HF材料与针刺中空短纤非织造布分别进行压制层合。不同层合材料的具体制备流程如下所述。

1.2.1 双层材料的制备

选取厚5 mm、尺寸为30 cm×30 cm的不锈钢平板，在其上依次铺放一层尺寸为30 cm×30 cm的耐高温聚酯(PET)膜和聚四氟乙烯(PTFE)耐高温织物，将裁剪成尺寸为8 cm×8 cm的HF材料放入图1所示的由不锈钢制成的正方形模具内(模具厚度因材料制取的实际所需而不同)，置于PTFE耐高温织物上，再连同不锈钢平板一起放在平板硫化机的电热平板上，于100 ℃下预热60 s。将针刺中空短纤非织造布裁剪为8 cm×8 cm的小块，然后将其放置在经预热软化的HF材料上，再在针刺中空短纤非织造布上依次铺放一层尺寸为30 cm×30 cm的耐高温PET膜和一块同尺寸的不锈钢平板，开启硫化机使上下电热平板闭合。在100 ℃无压状态下压制10 s，使两种材料黏合，取出待完全冷却后，去除不锈钢板、模具等，即可获得双层材料。

图1 不锈钢模具平面示意

1.2.2 三层材料的制备

制备两类三层材料。

采用前文所述双层材料制备时的预热方式，对HF材料进行预热，再将制备好的双层材料置于HF材料上(针刺中空短纤非织造布一侧朝下)。然后在双层材料的HF材料一侧依次放置一层PTFE耐高温织物和耐高温PET膜，再放置一块不锈钢平板。开启硫化机使上下电热平板闭合，在100 ℃无压状态下压制10 s使材料黏合。取出待完全冷却后，去除不锈钢板、模具等，即可获得以针刺中空短纤非织造布为芯层的三层材料。

将制备好的双层材料按HF材料一侧朝上放入不锈钢模具中，然后连同模具一起放置在铺有耐高温PET膜的不锈钢平板上，置于平板硫化机电热平板上，在100 ℃下预热60 s，将裁剪成尺寸为8 cm×8 cm的针刺中空短纤非织造布铺放于其上，再铺放一层耐高温PET膜和一块不锈钢平板。开启硫化机使上下电热平板闭合，在100 ℃无压状态下压制10 s使材料黏合。取出待完全冷却后，去除不锈钢板、模具等，即可获得以HF材料为芯层的三层材料。

1.2.3 小结

本文制备的层合材料的基本参数见表1，其结构示意见图2。

表1 层合材料的基本参数

图2 层合材料的结构示意

2 吸声性能测试

采用北京声望声电技术有限公司生产的SW230系列阻抗管对制取的层合材料进行吸声性能测试，仪器安装示意见图3。根据GB/T 18696.2—2002《声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分传递函数法》进行吸声性能测试。测试前，将各层合材料裁剪成直径为8 cm的圆形试样。

图3 吸声性能测试仪器示意

3 吸声性能测试结果分析

3.1 双层材料吸声性能

单层材料与双层材料以针刺中空短纤非织造布一侧为入射面时的吸声性能测试结果对比如图4所示。由图4可以看出，双层材料HF1-NP、HF2-NP和HF1-NKP在频率为2 500 Hz处的吸声系数分别为0.598、0.758和0.805，且对应吸声系数大于0.200的有效频率范围(简称有效频率范围)为1 150～2 500、1 100～2 500和650～2 500 Hz。在有效频率范围内，各频率点对应吸声系数的平均值分别为0.421、0.489和0.508。相对于NP和NKP材料，层合了HF1材料后，所得HF1-NP、HF1-NKP材料吸声性能的改善规律近乎一致。但HF1-NKP材料吸声性能改善的频率起点更低，为650 Hz，HF1-NP材料为1 050 Hz，且HF2-NP材料仅在频率高于1 350 Hz时吸声性能才有较大的改善，并且随着频率的增大，改善效果越来越明显。这一规律与HF2材料相比HF1材料的吸声改善情况类似，仅吸声性能改善的频率起点向低频方向移动。综合考虑改善的效果及材料厚度，若只需改善材料1 500 Hz以上中高频域的吸声性能，采取增加HF材料厚度的方式相对适宜。

图4 单层材料与双层材料以针刺中空短纤非织造布为入射面时的吸声性能对比

双层材料之所以呈现图4所示的吸声特性，原因可能是双层材料以针刺中空短纤非织造布为入射面，声波一部分被反射，其余进入非织造布中，而非织造布纤维之间空隙的存在及中空短纤维内静止空气的存在，引起了入射声波作用下空气的黏滞和摩擦作用，从而产生能耗并导致声波衰减。与此同时，纤维相互之间的振动摩擦作用也使声波衰减，但基于多孔材料的吸声特性，NP和NKP材料在中高频域的吸声性能好，在中低频域的吸声性能差[10-11]。声波经反射和非织造布的衰减作用，透过的声波在1 250 Hz 以上频域已较弱，入射到HF材料表面后，同样，部分声波被反射，并再次进入NP或NKP材料中，其余进入HF1或HF2材料内部，声波在HXNBR黏弹性阻尼损耗、纤维黏滞和振动摩擦耗能、空气的振荡黏滞及腔壁的摩擦耗能共同作用下衰减。但HF1和HF2材料因其多孔材料吸声特性而在中高频域具有良好的吸声性能，在低于1 500 Hz的中低频域几乎无吸声作用。而进入HF1和HF2材料的声波在中高频域较弱，因此其对声波的衰减作用不明显。综合作用下，双层材料对声波的作用表现出多孔材料的吸声特性，各频率点对应的吸声系数均有一定程度的提高，但中低频域的吸声性能并无显著改善。

以HF材料一侧为入射面时，双层材料的吸声性能测试结果如图5所示。由图5可知，此时材料所呈现的吸声特性与以针刺中空短纤非织造布为入射面时的截然不同。吸声系数随着频率的增大而逐渐提高，增至一定的峰值后开始下降。HF1-NP、HF2-NP和HF1-NKP的吸声系数峰值分别为0.672、0.768和0.838，其对应的频率点分别为800、750和750 Hz，有效频率范围分别为450～1 800、400～1 900和350～1 950 Hz，有效频率范围内各频率点对应吸声系数的平均值分别为0.398、0.401和0.417。在低于1 000 Hz的频域，HF1-NKP的吸声性能最优，HF2-NP次之，HF1-NP相对较差，但在高于1 000 Hz的频域，三者差异不大。可认为，增加HF的厚度或使用纤维中空度更高、孔隙更大且更厚的非织造布，均能使材料的吸声系数峰值增大且其对应的频率点降低，有效频率范围变宽。3种双层材料中，HF1-NKP材料的吸声性能最佳，但综合考虑到材料的轻薄性及在中高频域的吸声情况，更适于采用增大HF材料厚度的方式来改善吸声性能。

图5 以HF材料为入射面时双层材料的吸声性能

以HF材料一侧为入射面，双层材料在低于500 Hz频率范围内的吸声性能如图6所示。由图6可看出，相对于单层材料HF1、HF2、NP和NKP，以HF材料一侧为入射面的双层材料在低频域的吸声性能改善较显著，且整体上吸声系数随着频率的增加而增大。综合图5和图6可知，双层材料以HF材料为入射面时，可显著改善其在中低频域的吸声性能，但中高频域的吸声性能明显下降(图5)，并且即便增大HF厚度或使用更厚、中空及孔隙更优的非织造布，其在中高频域的吸声性能改善效果也并不显著。

图6 以HF材料为入射面时双层材料在低于500 Hz的低频时的吸声性能

HF材料的扫描电子显微镜(SEM)图如图7所示。由图7可看出，HF材料为一种封闭式薄膜片状材料，所有FHHPF均固化于橡胶基体中。双层材料以HF材料为入射面而呈现出图5所示的吸声特性，是因为HF材料层合的NP、NKP材料均为孔隙率大于90%的开放式多孔材料。NP、NKP中纤维之间的空隙及中空短纤维中包含的大量静止空气相互贯穿，形成空气层，起到一种类似背部空腔的作用，产生了空腔共振结构吸声效果，且这一作用机理占主导地位[12]，抑制了HF和NP、NKP多孔材料吸声机理的作用并使其处于辅助地位，由此双层材料的整体吸声机理发生了改变。双层材料在中低频域的吸声性能显著增强，吸声系数峰值向低频方向转移，有效频率范围也整体向低频方向移动。此外，材料厚度增加也在一定程度上有助于中低频域吸声性能的提高，但材料在中高频域的吸声性能显著下降。HF2-NP材料在中低频域的吸声性能优于HF1-NP材料，是因为HF2材料的厚度大于HF1材料。由图4可知，材料越厚，共振作用越明显，且共振频率向低频方向偏移，材料在低频域的吸声性能提高[5]23，故HF2材料的吸声性能优于HF1材料。HF1材料层合NKP后的材料相比层合NP后的材料(表1)更厚，孔隙率也更大，相当于材料背部空腔更深，贯穿的空气层引起的空腔共振作用也相对更强。除空腔共振作用外，因NKP材料更厚，其纤维之间振动摩擦导致的声能耗散作用也更强。因此，在吸声频带向低频方向移动扩延的同时，材料在中低频域的吸声系数增大，有效频率范围拓宽。这导致HF1-NKP材料在中低频域的吸声性能更优，有效频率范围内各频率点对应吸声系数的平均值也得以提高。

a) 截面

3.2 三层材料吸声性能

三层材料的吸声性能测试结果如图8所示，相应的数据见表2。由图8可知，两类三层材料的吸声系数变化规律相似，均先随着频率的增大而增大，在吸声系数在达到峰值后开始下降。由表2可知，相比以HF材料为入射面时的双层材料，三层材料的有效频率范围显著拓宽。在有效频率范围内，各频率点对应吸声系数的平均值也大幅提高，均大于0.560，属于高效吸声材料[13]。吸声系数峰值也更大，但峰值对应的频率点相对较高。总体而言，三层材料在中低频域吸声性能显著提高的同时，在中高频域的吸声性能也较优，即实现了在更宽频率范围内具有更优的吸声性能。

图8 三层材料吸声性能

表2 三层材料吸声性能数据

以针刺中空短纤非织造布为芯层的三层材料的吸声入射示意如图9a)所示。根据前文关于双层材料以HF材料为入射面时吸声作用机理的分析知，声波入射后，芯层针刺中空短纤非织造布层因存在大量静止空气而相互贯穿并形成空气层，起到背部空腔共振吸声作用，因此材料在中低频域的吸声性能优异。此后，未受过多损耗吸收的中高频声波，穿越芯层进入底层的HF材料，HF材料作为一种呈多孔材料吸声特性的封闭式薄膜片状材料，对中高频声波具有很好的衰减作用。而三层材料整体上更厚，这也有助于材料吸声性能的提升，使得材料在中低频域的吸声性能显著改善，同时在中高频域的吸声性能也较优。

a) 以针刺中空短纤非织造布为芯层

HF1-NP-HF1、HF2-NP-HF2和HF1-NKP-HF1材料均在更宽的频率范围具有更好的吸声性能。结合前文以HF材料为入射面时双层材料的吸声性能分析，以及HF2和HF1材料的吸声性能分析可知，HF1-NKP-HF1的吸声性能最优，HF2-NP-HF2次之，HF1-NP-HF1的吸声性能相对较差。

对于以HF材料为芯层的三层材料，在吸声系数增至峰值后，随着频率的增大，材料的吸声系数虽有下降，但降幅较小，总体而言变化相对平稳。结合表2数据可知，以HF材料为芯层的三层材料吸声性能更好。根据图9b)的入射示意，针刺中空短纤非织造布为入射面，入射声波除了一部分被反射外，其余进入针刺中空短纤非织造布。由图4可知，NP、NKP材料在中高频域的吸声性能优于HF材料，能更好地使中高频声波损耗衰减。经衰减后的声波穿过针刺中空短纤非织造布层后入射至HF材料表面，同样部分声波被反射并再次进入针刺中空短纤非织造布，其余声波进入HF材料内部。而HF材料背部还有一层针刺中空短纤非织造布，其中包含大量相互贯穿的空气，所形成的空气层起到一种背部空腔共振的吸声作用，能很好地衰减中低频声波，使材料在中低频的吸声性能也得以改善。此外，由表1可知，以HF材料为芯层的三层材料更厚，这不仅有助于材料中低频域吸声性能的改善，而且能增强材料的整体吸声性能。因此，以HF材料为芯层的三层材料在中低频域的吸声性能优异，并且在中高频域的吸声性能也很好，其总体吸声性能优于以针刺中空短纤非织造布为芯层的三层材料。

对比NP-HF1-NP和NKP-HF1-NKP材料，由于入射层NKP的吸声性能优于NP，且NKP的厚度大于NP，同时其孔隙率为94%，高于NP的孔隙率(90%)，因此存在的空气层更多，所起的空腔作用深度更大，共振吸声作用更强，材料吸声系数峰值向低频方向移动。此外，除空腔共振吸声作用外，NKP材料纤维之间相互接触振动而产生的摩擦耗能作用也更强。因此总体而言，NKP-HF1-NKP材料的吸声系数峰值更高，其有效频率范围也更宽，吸声性能优于NP-HF1-NP。而NP-HF2-NP相比于NP-HF1-NP，因HF2的吸声性能优于HF1，且材料更厚，因此在NP相同的情况下，经入射层NP作用后，HF2-NP比HF1-NP在低频域的吸声性能更好，吸声系数峰值也更大，并呈向低频方向移动的趋势。因此NP-HF2-NP的总体吸声性能优于NP-HF1-NP。

4 结论

将HF材料与针刺中空短纤非织造布层合，制备系列双层、三层材料，并对材料的吸声性能进行测试与分析，得出如下研究结论。

(1) 对于HF材料与针刺中空短纤非织造布层合的双层材料，选取的入射面不同，材料将呈现出截然不同的吸声特性。以NP或NKP材料为入射面时，层合材料呈现出多孔吸声材料的特性。以HF材料为入射面时，层合材料在中低频域的吸声性能显著改善且吸声性能较优，但相应材料在中高频域的吸声性能显著下降。

(2) 三层材料的吸声性能优于双层材料，实现了各频域较优的吸声性能，且有效频域更宽。整体而言，以HF材料为芯层的三层材料的吸声性能更优。

(3) 双层材料以针刺中空短纤非织造布为入射面时，通过增大HF材料厚度或采用更厚同时孔隙率更大的针刺中空短纤非织造布，可使双层材料的整体吸声性能进一步提高；以HF材料为入射面时，通过增大HF材料厚度或采用更厚同时孔隙率更大的针刺中空短纤非织造布，可提升材料在中低频域的吸声性能。

(4) 对于三层材料，增大HF材料厚度或采用更厚同时孔隙率更大的针刺中空短纤非织造布，可使材料的吸声系数峰值及其对应频率向低频方向移动，材料整体吸声性能也得以提升，且采用改变针刺中空短纤非织造布参数的方式，材料的吸声效果改善程度更显著。