纤维参数对聚酯纤维板吸声性能的影响研究 *

李 涛，何宇辰，姚智敏，蔡 俊，李 华

(1. 国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，合肥 230022； 2. 上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240；3.上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200240)

0 引 言

随着经济社会不断发展，人们对生活质量的追求不断提升，噪声污染问题越来越受到了重视[1-2]。由于长期处于噪声环境下，容易使人疲惫和烦躁，甚至产生听力和心血管疾病[3-4]。为此，噪声污染控制措施被广泛用于各种降噪场所，比如高速公路两侧的声屏障、屋顶空调机组的消声百叶、噪声设备的隔声罩等[5]。但由此也对噪声控制材料提出了更高的需求。

聚酯纤维是由对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯及乙二醇经过缩聚、纺丝而成。聚酯纤维吸声板是一种典型的多孔吸音材料，吸声效果较好[6]，其材料内部有大量微小且连通的孔隙，声波沿着这些孔隙传播到材料内部，与纤维表面发生摩擦作用，声能被转化为热能而消耗[7-8]。因此，吸声性能受材料厚度、密度、背后空腔深度及空气流阻率等多方面的影响[9]。彭立民等[10]研究发现流阻率对木质纤维/聚酯纤维复合材料的吸声性能有明显影响，流阻率过高过低均会导致吸声系数的下降。Yuxia Chen等[11]利用聚酯纤维与废弃丝瓜屑作为原料，通过热压法制备得到复合纤维吸声材料，结果表明，复合材料的吸声系数随着材料密度、厚度和背后空腔深度的增加而增加。M. Kucuk等[12]研究了物理参数对无纺布吸声性能的影响，材料厚度的增加使得流阻率的降低和单位面积内纤维量的增加，导致了材料吸声性能的提高。上述研究都是从材料结构参数的角度开展的，而从纤维参数的角度开展研究未见报道。

为此，本研究以不同纤维参数的聚酯纤维为实验对象，通过制备不同纤维参数的聚酯纤维板，系统地探究纤维截面形状、纤维细度和纤维长度对聚酯纤维板吸声性能的影响程度，并采用响应面法进一步优化聚酯纤维参数，从而为今后优良吸声性能的聚酯纤维板制备提供参考和依据。

1 纤维多孔材料的吸声理论模型

众所周知，纤维是构成纤维吸声材料的主要原料，纤维参数的差异会不同程度地影响纤维材料的吸声性能。在目前常用的多孔吸声材料预测模型中，Johnson-Champoux-Allard模型是纤维多孔材料最常用的吸声性能预测模型。模型预测需要用到的粘滞特征长度Λ和热特征长度Λ′这两个关键参数，均是通过将纤维细度和单位体积材料纤维总长度带入以下式(1)～(3)来计算获得的[13]。

L=4ρ1/πd2ρm

(1)

(2)

Λ′=2Λ

(3)

其中，L是材料单位体积的总有效长度，d是纤维直径，ρ1和ρm分别表示样品和材料的体积密度。

从上面的理论预测模型可以得到，纤维细度和长度的差异会导致材料吸声性能的差异。而相对于传统圆形截面纤维，异形截面纤维的纤维细度和长度变化对吸声性能的影响规律未见研究报道，需进一步系统分析。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

(1)试验选用的聚酯纤维原材料相关参数见下表1。

表1 聚酯纤维参数表

上述异形聚酯纤维的截面形状由光学显微镜实测得到，如图1所示。

图1 异形纤维截面形态的光学显微图Fig 1 Shape of fiber section under optical microscope

(2)低熔点纤维：熔点110～135 ℃，主要作用是利用其熔点低的特点使其在吸音板热压过程中熔化充当聚酯纤维原料粘结剂[14]。

2.2 试验仪器与设备

LP-S-50型平板压机：泰国Labtech工程公司；BSWA SW422 490181型阻抗管：北京声望声电技术有限公司；Olympus BX 43 荧光正置显微镜：奥林匹斯(中国)有限公司。

2.3 聚酯纤维板的制备

(1)混合开松。将聚酯纤维、低熔点纤维按照质量比1∶1称取原料进行混合和开松处理，使得两种纤维得以均匀分布。

(2)梳理铺装。将开松后的纤维集合体进一步梳理松解，处理成较薄的纤维层。根据试验所需的容重参数，对纤维层进行裁剪并叠加至所需容重对应的质量，然后铺装进加工模具。

(3)热压制样。将装有纤维层的模具放入平板压机中，热压温度180 ℃，热压时间为8 min。热压结束后，连同模具取出后冷却至室温既得试验样品。制得的试样体积密度均为150 kg/m3左右，厚度为8 mm左右。

2.4 吸声性能测试方法

本研究的吸声性能采用阻抗管测试系统根据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》进行测量[15]。将制备得到的聚酯纤维材料分别按照测试仪器样品截面要求裁剪成直径为100 mm(测试频率为80～1 600 Hz)和30 mm(测试频率为1 600～6 300 Hz)的圆形试样。将需测试的试样置于驻波管一端，试样与管壁处无缝隙。每个试样测量3遍取平均值，测试范围为80～6 300 Hz。

3 结果与分析

3.1 纤维截面形状对聚酯纤维吸音材料吸声性能的影响

选用纤维细度均为3 D，纤维长度为51 mm的圆形、扁平、三角、十字形4种不同截面形状的聚酯纤维，情况下制备的8 mm聚酯纤维板(实贴)的吸声曲线，如图2所示。

图2 不同截面形状的聚酯纤维吸声材料吸声系数曲线Fig 2 The influence of different section shape on absorption coefficient

图2为不同截面形状的聚酯纤维吸声板(8 mm厚，实贴，纤维细度为3 D)的吸声系数曲线。由图中可知，在低频阶段，纤维材料的吸声系数整体较小，相互差异不大。当频率超过300 Hz，纤维材料的吸声系数逐渐提高，异形截面(十字形、三角形与扁平形)聚酯纤维板的吸声系数明显高于圆形聚酯纤维的吸声系数，其中扁平形的吸声系数最大。这是由于与圆形截面相比，异形纤维的截面形状特殊，光滑性差，纤维表面的摩擦大。此外，异形纤维材料的比表面积相对于同质量的圆形纤维更大。因此，相同条件下的异形纤维可以提供更多与声波接触的面积，声能在材料内部的传播过程中与异形纤维表面接触就会更多地转化为热能，从而提高了吸声系数[16]。

3.2 纤维细度对聚酯纤维吸音材料吸声性能的影响

选取纤维长度为51 mm，纤维细度分别为3、9、16、33、55 D 5种情况下制备的8 mm聚酯纤维板(实贴)的吸声曲线，如图3所示。

图3 不同纤维细度的聚酯纤维吸音材料吸声系数曲线Fig 3 The influence of different fiber fineness on absorption coefficient

从图3可以看出，在中低频范围，整体吸声系数较小，差异并不明显。但在中高频范围，纤维细度较小的聚酯纤维吸声性能相对更好。这是因为相同情况下，纤维越细表示单位面积内含有的聚酯纤维根数越多，声波进入材料内部后就会与纤维表面有更多的接触机会。因此，声波与材料的摩擦不仅会增加，而且声波在材料内部的传播时间也会延长，也就使更多的声能转换成热能而耗散掉[17]。

3.3 纤维长度对聚酯纤维吸音材料吸声性能的影响

选取纤维细度为9 D，纤维长度分别为51、65、72 mm 3种情况下制备的8 mm聚酯纤维板(实贴)吸声曲线如图4所示。

图4 不同纤维长度的聚酯纤维吸音材料吸声系数曲线Fig 4 The influence of different fiber lengths on absorption coefficient

从图4中可以看出，长度为65 mm的聚酯纤维样品吸声效果比51 mm、72 mm的样品有较小的提高，但三者之间的差别并不显著。这是因为纤维材料的孔隙是由纤维之间交错构造而成的，尽管纤维长度不同，但对材料内部的结构改变不大。因此，聚酯纤维的长度对材料的吸声效果影响不明显。

3.4 纤维参数的响应面法优化分析

基于上述研究结果，本研究采用Design Expert优化软件对纤维参数进一步开展了响应面法优化分析。由于多孔纤维板背后留空腔的整体吸声性能较高[18]，有利于参数的优化分析，因此本研究以8 mm聚酯纤维板后留20 mm空腔的吸声系数为参量，选取纤维细度、纤维长度作为因素展开两因素三水平的响应面优化设计。根据单因素试验结果，本研究选取了纤维细度9 D、纤维长度65 mm为中心试验点，以此确定两因素水平的设计范围(表2)。

表2 响应面优化分析的因素和水平

利用Design Export软件针对表3的分析数据进行多元回归拟合分析，得到吸声系数与各因素变量的方程模型如下：

表3 响应面优化分析的相关数据

y=0.43-0.077A-5.35×10-3B-7×10-4AB+0.031A2-0.035B2

对回归模型进行方差分析，结果见表4。由表4知，纤维细度对吸声系数有显著影响。失拟项P值为0.8906>0.05，表明回归模型拟合情况良好，可用于聚酯纤维板制备材料参数的分析和预测。

表4 回归模型的方差分析结果

为此，研究拟合绘制了响应曲面图，见图5。响应曲面的陡峭程度可以反映因素作用显著与否，当因素作用显著时，响应面坡度陡峭[19-21]。图5表现出随着纤维细度的改变，响应面变化陡峭，说明纤维细度对聚酯纤维板吸声系数影响显著，这与上面的显著性分析结果一致。

图5 纤维细度与纤维长度的响应曲面Fig 5 Response surface of fiber fineness and fiber length

从图5中可以得到，最优平均吸声系数为0.5424，其最佳材料参数为纤维细度3 D、纤维长度61 mm。考虑到实际可操作性，最终确定的材料参数为：纤维细度3 D、纤维长度65 mm。8mm厚聚酯纤维板后留20 mm空腔的吸声系数均值为0.54，与理论预测值十分接近。

4 结 论

根据纤维多孔材料的吸声理论模型，纤维参数(纤维截面、纤维细度和纤维长度等)会影响纤维材料的吸声性能。为此，本研究以不同纤维参数的聚酯纤维板为研究对象，通过吸声性能阻抗管测试来进一步分析纤维参数对纤维材料的影响规律，并采用响应面法优化得到了最佳吸声性能的聚酯纤维参数。研究结果表明：(1)异形聚酯纤维的吸声性能在中频阶段均优于普通圆形聚酯纤维，纤维细度小的聚酯纤维吸声性能相对更好，而纤维长度对吸声性能影响不明显；(2)当纤维截面为扁平，纤维细度3 D、纤维长度65 mm，在此参数条件下制备的8 mm聚酯纤维板后留20 mm空腔的平均吸声系数最佳，达到0.54。本研究成果为异形截面纤维的声学应用提供了基础，也为聚酯纤维材料的高附加值使用提供了依据。