废弃涤纶织物/氯化聚乙烯复合材料的隔声性能

吕丽华， 毕吉红， 于 翔， 钱永芳， 赵玉萍

(大连工业大学 纺织与材料工程学院， 辽宁 大连 116034)

废弃涤纶织物/氯化聚乙烯复合材料的隔声性能

吕丽华， 毕吉红， 于 翔， 钱永芳， 赵玉萍

(大连工业大学 纺织与材料工程学院， 辽宁 大连 116034)

为解决废旧纺织纤维资源化利用问题和日常生活中的噪声污染,采用废弃涤纶织物与氯化聚乙烯逐层贴合，热压制得具有良好隔声效果的隔声复合材料。通过对废弃涤纶织物、纯氯化聚乙烯(CPE)板、废弃涤纶织物/CPE层合隔声材料的隔声量曲线分析发现，废弃涤纶织物/CPE层合复合材料的隔声性能最好；改变废弃涤纶织物层数、面密度和加压压力，制得不同参数的废弃涤纶织物/CPE层合复合材料。通过对隔声量曲线分析可知，随废弃涤纶织物层数、材料面密度和加压压力的增加，其隔声量提高；对隔声复合材料的隔声量进行理论计算，并与实际测量值进行对比分析，结果表明理论计算值与实际测量值有较好的吻合性。

废弃涤纶织物； 隔声性能； 复合材料； 隔声量； 氯化聚乙烯

废旧纺织品的存在不仅造成环境污染和资源浪费，且存在火灾隐患，因此，废旧纺织品再生资源化利用技术研究意义重大[1]；另一方面，随着工业化和现代化步伐的加快，噪声污染变得越来越严重，其危害人们的学习、工作以及身体健康等。

所谓隔声就是利用隔声材料来隔离阻挡声波的传播。氯化聚乙烯(CPE)的阻尼性能良好，当声波作用于CPE时，其振动作用会引起CPE大分子链运动， 大分子链的振动需克服摩擦阻力，从而使声能量转化为其他能量达到隔声效果[2]。刘慧等[3]在聚氯乙烯基复合材料中添加了不同质量分数的CPE和邻苯二甲酸二苯酯(DOP)，讨论了CPE和DOP的用量对聚氯乙烯基复合材料隔声效果的作用。傅雅琴等[4]用E型聚氯乙烯和玻璃纤维织物为实验材料，添加不同种类的增塑剂，制备出隔声性能优良的玻璃纤维织物/聚氯乙烯复合材料。该材料轻量、柔韧、超薄，并解决了传统隔声材料以高密度、大厚度来提高隔声效果的问题。杨天兵等[5]以埃洛石纳米管(HNTs)填充的聚氯乙烯(PVC)为基体，面密度相同而组织循环数不同的蜂窝织物为增强体制造出隔声复合材料，研究其隔声性能。王前文等[6]制备了亚麻纤维/聚丙烯隔声复合材料，探讨了纤维掺量和亚麻纤维表面处理对其隔声性能的影响。鲁灿灿等[7]用芳纶毡和阻尼弹性薄膜逐层贴合，制备出2层、3层结构的复合材料，发现毡体厚度和不同复合构造对其吸声与隔声性能有显著影响。本课题组一直从事废弃纤维吸声隔音方面的研究，并取得一系列研究成果[8-9]。

当声波作用于涤纶织物时，一部分声波被织物反射，另一部分入射到废弃涤纶织物内部，引起织物和纤维中空气的振动，使声能转化成其他能量而衰减[10]。废弃涤纶织物内部松散多孔，因此大部分声波会透过织物，达不到预期的隔声效果。本文将CPE与废弃涤纶织物逐层贴合，制备隔声效果优良的复合材料，探讨了废弃涤纶织物、材料的面密度、废弃涤纶织物层数和加压压力等参数对复合材料隔声性能的影响，最后对其隔声量进行理论分析。

1 实 验

1.1 实验材料

CPE，氯化度为35%，昆山齐鑫冠腾塑化有限公司；废弃涤纶织物,面密度为145 g/m2，四川宜宾新材料有限公司。

1.2 测试仪器

SK-160B型双辊塑炼机，上海思南橡胶机械有限公司；QLB-50D/Q MN型压力成型机，江苏无锡中凯橡塑机械有限公司；NHY-W型万能制样机，承德市试验机厂；SW477/SW422型隔声测试系统，北京声望公司，测试噪声源强度为100 dB。

1.3 实验工艺

将CPE粉末在双辊混炼机(温度为65 ℃)中炼成薄片；再将CPE薄片与废弃涤纶织物逐层复合置于模具中，并放于平板硫化机(温度为140 ℃)内。在3 MPa条件下，加热3 min后，再依照实验所需加压条件加压10 min；最后，将复合材料脱模冷却。所制备的隔声材料的结构如图1所示。

图1 废弃涤纶织物/CPE隔声材料结构示意图Fig.1 Structure diagram of waste polyester fabric/CPE sound insulation composites

1.4 隔声量测试

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》，采用传递函数法用SW477/SW422隔声测试系统测试隔声量。

2 结果与讨论

2.1 废弃涤纶织物对隔声量的影响

图2示出材料厚度为4 mm、加压压力为10 MPa、 面密度为0.5 g/cm2时，4层废弃涤纶织物、纯CPE、废弃涤纶织物/CPE层合隔声材料的隔声量曲线。

图2 不同材料的隔声量曲线Fig.2 Sound insulation curves of different materials

由图2可知，4层废弃涤纶织物不具备隔声性能。而纯CPE、废弃涤纶织物/CPE层合隔声材料的隔声量曲线具有波动性，两样品的隔声效果随声波频率的增大而整体提高。废弃涤纶织物的添加使高频的隔声量增大，但对中低频的隔声量没有显著影响。这可能是因为废弃涤纶织物的加入主要吸收消耗了高频段的声波，进而达到隔声效果。废弃涤纶织物/CPE复合材料的平均隔声量[11]为21.86 dB，纯CPE材料的平均隔声量是20.04 dB[12]，说明废弃涤纶织物的加入，使复合材料的隔声效果有一定的作用，但在500 Hz以下，纯CPE比CPE/涤纶织物的隔声性能好，是因为CPE是一种黏弹性材料，在低频下具有良好的隔声性。

废弃涤纶织物/CPE隔声复合材料具有皮芯结构。皮层是韧性良好的CPE，主要起隔声、抗震和抗拉伸作用，芯层为多孔的废弃涤纶织物。二者共同作用提高了材料的隔声性能。由于废弃涤纶织物/CPE隔声材料独特的皮芯层合结构，声波在复合材料的各分界面都会发生折射、透射和反射[12]，因此，经多次透射与反射后消耗了更多的声能。

2.2 织物层数对隔声量的影响

图3示出材料面密度为0.3 g/cm2、加压压力为10 MPa，废弃涤纶织物层数分别为2、4和6层时所得到的隔声量曲线。

图3 不同层数废弃涤纶织物的隔声量曲线Fig.3 Sound insulation curves of waste polyester fabrics with different layers

由图3可知，随废弃涤纶织物层数的增加，材料在中低频及高频的隔声量得到很大改善。具有2、4和6层废弃涤纶织物复合材料的平均隔声量分别为17.34、20.47、23.59 dB。当材料的面密度和加压压力相同时，其隔声量会随废弃涤纶织物层数的增加而增大。由于废弃涤纶织物层数的增加，材料的分界面增加。 由于声阻抗的不同，声波在CPE中传播时，会在各分界面发生折射与反射。另外，声波在入射到废弃涤纶纤维时造成阻碍，从而发生衍射作用，因此，声波的传播路径变长而衰减了声能；同时，废弃涤纶织物层数的增加，相当于材料的孔隙率增大，也同样加大了声波在材料内部的传播距离，达到消耗声能的目的。可见，复合材料逐层贴合的层合结构和废弃涤纶织物内部存在的孔隙，使复合材料的隔声效果更佳[13]。

2.3 面密度对隔声量的影响

图4示出材料为6层废弃涤纶织物，材料厚度为6 mm，加压压力为10 MPa，面密度分别为0.3、0.5、0.7 g/cm2时获得复合材料的隔声量曲线。

图4 不同面密度材料的隔声量曲线Fig.4 Sound insulation curves of composites with different density

由图4可知，在测试频段范围内，材料的隔声量随面密度的增大而增加，这符合质量定律。当材料的面密度为0.3、0.5、0.7 g/cm2时，其平均隔声量分别为23.59、27.00、30.64 dB。在其他条件相同时，通过控制CPE的质量分数来改变材料的面密度时，主要是CPE的阻尼作用使材料隔声量发生改变。声波作用于材料使其发生振动和形变，应力会先于材料形变而发生变化，导致材料形变滞后。在特定的温度与频率下，这种形变滞后非常显著，进而使声能衰减达到减振降噪作用[12-13]。

随材料面密度增加，即各层的CPE厚度增大，材料的刚性变大。当声波入射到材料时，废弃涤纶织物的振动相对减弱，从而使声能的消耗相应减少。当面密度继续增加，材料的隔声量增加缓慢，因此，单一的依靠增加材料面密度来提高隔声量不可取。

2.4 加压压力对材料隔声量的影响

图5示出材料在面密度为0.3 g/cm2, 涤纶织物为4层,厚度为4 mm时，加压压力分别为5、10、15 MPa 时制得复合材料的隔声量曲线。

图5 不同压力下材料的隔声量曲线Fig.5 Sound insulation curves of materials under different pressures

由图5可知，当材料的加压压力为5、10、15 MPa时，材料的平均隔声量分别为18.06、20.47、21.87 dB。每层的CPE和废弃涤纶织物会随加压压力增大而结合更密实；另外，压力增大会使CPE进入废弃涤纶织物的孔隙中，使声波在材料内部的传播距离变短，同时阻碍声波进入废弃涤纶织物内部。声场作用引起织物孔隙间空气的振动、摩擦，导致部分声能转化为其他能量。此时，废弃涤纶织物只能起到协助降噪作用[12]。

在复合材料表面，声波会发生透射和反射。增大加压压力，会使废弃涤纶织物/CPE复合材料变得密且表面更加光滑。当声波碰到材料密实且光滑表面时，则更易发生反射，从而使声波的透射大幅度减少，提高材料隔声性能。

2.5 隔声量理论分析

隔 声复合材料由阻尼材料(CPE)和吸声材料(废弃涤纶织物)逐层贴合而成，具有吸声和隔声等功能。一般在计算材料的理论隔声量时，通常采用有限元法和边界元法。此外，也有人用统计能量分析法研究单层和多层板等隔声量分析材[14-16]。研究废弃涤纶织物/CPE复合材料的隔声量，对理论计算结果和实验测量结果相互比较，从而证明理论方法的准确性。

隔声量Tb的计算公式[17]为

Tb=-20lg|ta|

式中：ta为声压透射系数，是入射波声压与透射波声压的比值。

图6示出隔声量测试系统的示意图。

图6 隔声量测试系统图Fig.6 Diagram of sound insulation quantity tube measurement system

利用图6所示隔声量测试系统进行测量时，声压透射系数的计算公式为

式中：d1为a与b之间的长度；d2为c与d之间的长度；S1为待测样品前端到b的距离；S2为待测样品后端到c的距离；H1、H2、H3、H4分别为传声器a、b、c、d处测得的复声压；δ为声波波数;j为虚数单位。

由上式计算得到废弃涤纶织物/CPE复合材料的理论隔声量。材料的理论计算隔声量和实测隔声量，如表1所示。从表可得到，在测试频率范围内，隔声量的理论计算结果和测试值基本吻合，二者取得了较好的一致性，但也略有差异。

表1 废弃涤纶织物/CPE复合材料的理论计算和实测隔声量

3 结 论

采用废弃涤纶织物与氯化聚乙烯逐层贴合，热压制得隔声复合材料。首先，通过对废弃涤纶织物、纯CPE板、废弃涤纶织物/CPE层合隔音材料的隔声量曲线分析发现，废弃涤纶织物/CPE层合复合材料的隔声量最大，即隔声性能最好。其次，通过改变废弃涤纶织物层数、面密度和加压压力，制得不同参数的废弃涤纶织物/CPE层合复合材料。通过对隔声量曲线分析可知，随废弃涤纶织物层数、材料面密度和加压压力的增加，其隔声量提高。材料在2 000 Hz时，最大隔声量可达40.55 dB,平均隔声量也达30 dB以上，是一种优异的隔声材料。最后，通过对废弃涤纶织物/CPE复合材料的理论计算隔声量和实测隔声量分析可知，二者具有较好的一致性，表明该理论模型合理正确，其可较准确地预测柔性轻质隔声材料的隔声量。

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Sound insulation properties of waste polyester fabric/chlorinated polyethylene composites

LÜ Lihua, BI Jihong, YU Xiang, QIAN Yongfang, ZHAO Yuping

(SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian,Liaoning116034,China)

In order to resolve the problems on the waste textile fibers recycling and the noise pollution in daily life, composites with good sound insulation property were prepared from waste polyester fabric and chlorinated polyethylene (CPE) by a hot-processing method. Firstly, it was found that the sound insulation property of the waste polyester fabric/CPE composites was the best according to the sound insulation curves of waste polyester fabrics, CPE plate and waste polyester fabric/CPE composites. Secondly, the sound insulation properties of the composites which were prepared by changing the waste polyester fabric layer number and density and pressure were tested. It was showed that the sound insulation properties were improved by increasing the waste polyester fabric layer number and density and pressure. Then, the sound insulation quantity of the composites was calculated according to a theoretical model. By comparisons of theoretically calculated and actually measured value of the sound insulation quantity, it is showed that the theoretically calculated values have good match with the actually measured values.

waste polyester fabric; sound insulation property; composite; sound insulation quantity; chlorinated polyethylene

10.13475/j.fzxb.20160506806

2016-05-29

2017-03-04

辽宁省自然科学基金项目(201602051)

吕丽华(1978—)，女，副教授，博士。主要研究方向为废弃纤维再生资源化利用技术。E-mail:lvlh@dlpu.edu.cn。

TS 102.9

A