针刺非织造布中低频吸声性能的影响因素

刘玉杰，李新禹，刘 龙

（天津工业大学 纺织学院，天津 300160）

针刺非织造布中低频吸声性能的影响因素

刘玉杰，李新禹，刘 龙

（天津工业大学 纺织学院，天津 300160）

选择不同细度的圆形截面和中空涤纶纤维，经过针刺和预针刺加工成非织造布.使用SZZB驻波管法测试非织造布中低频（125～2 000 Hz）的吸声系数，比较涤纶纤维的截面、细度及针刺加工工序对非织造布吸声材料中低频吸声性能的影响.结果表明，200 Hz以下各非织造布试样的吸声系数差距不明显.在250 Hz时，中空纤维组成的非织造布的吸声系数比圆形纤维组成的非织造布的吸声系数约大0.04；由1.67 dtex纤维材料组成的非织造布比6.67 dtex纤维材料组成的非织造布的吸声系数约大0.03；预针刺非织造布中低频的吸声系数比针刺布中低频的吸声系数约大0.06；而且以上吸声系数的差距均随着声波频率的增大而增大.

针刺非织造布；中低频；吸声系数；预针刺非织造布

punched nonwovens

针刺非织造吸声材料吸声性能的研究，往往通过对针刺非织造材料的厚度、容重、面密度等方面来进行研究，其加工工艺是通过针刺非织造材料的多层复合、后整理等方式来进行处理，这些方法所制非织造布的吸声性能良好，但会使得针刺非织造吸声材料厚重[1-4].针刺非织造布的吸声特性往往取决于其组成纤维的几何形状（包括纤维的截面和细度）和纤维在织物结构中的排列.Mevlut Tascan等[5]研究了纤维的截面形状和细度对针刺非织造布声学性能的影响.Koizu mi的研究[6]表明1.67～6.67 dtex纤维的吸声效果良好.本文对不同截面不同细度的纤维进行预针刺和针刺加工，制成非织造布试样，然后测试其中低频吸声系数，探讨纤维截面、细度及纤维材料的加工方式对非织造布中低频吸声性能的影响，以期为轻质针刺非织造吸声材料的设计提供一定参考.

1 实验部分

1.1 实验原料

实验原料为不同截面（圆形截面和中空截面）和不同细度（1.67 dtex，6.67 dtex）的涤纶纤维，由仪征东南化纤原料有限公司提供.6.67 dtex涤纶纤维在400倍生物显微镜下的截面形状如图1所示.

图1（a）为普通涤纶纤维材料的截面，为实心圆形.图1（b）为三维卷曲中空纤维的截面形状，为圆环形，与普通涤纶纤维相比，这不仅减轻了纤维的重量，而且能够增加声能与纤维的接触比表面积，更适合做吸声材料.

1.2 试样制备

为比较不同针刺工序对非织造布性能的影响，本文制备了单面预针刺、双面预针刺、针刺等3种类型试样.称重后的纤维经过开松、混合、梳理和铺网之后，部分纤网在同面进行3遍预针刺加工得到单面预针刺非织造布；部分纤网经过2遍单面预针刺和1遍反面预针刺得到双面预针刺非织造布；而针刺非织造布则由纤网经过主针刺加工得到.单面预针刺非织造布与双面预针刺非织造布的针刺密度相同.

将经以上加工制备成的不同实验材料剪成直径为110 mm的圆形截面试样，其性能如表1所示.

1.3 试样吸声系数的测试方法

材料的吸声性能测试采用SZZB驻波管法吸声系数测量仪进行，以吸声系数（α）作为评定吸声性能的指标.分辨率RTA采用1/3倍频程，在相同声源和相同接收系统下，通过调试探测器先后测得声压极大值和极小值，测试材料中低频125～2 000 Hz的吸声性能.每种材料制备3个试件，取其平均值作为最终的吸声系数[7].

表1 非织造吸声材料的性能参数Tab.1 Performance parameters of nonwoven sound-absorbing materials

2 实验结果及分析

2.1 试样中纤维分布状况

图2（a）、（b）分别为由1.67 dtex圆形截面纤维制备的双面预针刺非织造布和针刺非织造布实验小样在放大20倍的体视图像电脑分析系统下观察到的纤维分布情况.

由图2可以看出，预针刺非织造布与针刺非织造布中纤维都呈现杂乱分布，而且纤维与纤维之间都有大量的微孔，但是它们又有所不同.预针刺非织造布材料中纤维排列稀疏，纤维与纤维之间的孔隙相对较大；重量一定的情况下，预针刺非织造布的厚度大于针刺非织造布的厚度；针刺非织造布中纤维间的排列相对紧密，其它情况相同时，材料的孔隙率大于预针刺非织造布.由中空截面纤维制备的非织造布的纤维分布情况基本与此相同.

2.2 针刺加工工序对吸声性能的影响

图3为采用1.67 dtex圆形截面纤维制备所得试样的吸声系数曲线.

由图3可以看出，相同细度的纤维材料在125～2 000 Hz频段范围内，吸声系数由高到低的顺序依次为单面预针刺非织造布针刺面、单面预针刺非织造布蓬松面、双面预针刺非织造布、针刺非织造布.预针刺非织造布吸声系数与针刺非织造布吸声系数的差距在200 Hz以下时不明显，在250 Hz时预针刺非织造布吸声系数比针刺非织造布吸声系数约大0.06，而且随着声波频率的增大预针刺非织造布与针刺非织造布的吸声系数差距增大的趋势就越明显.

组成单面预针刺非织造布针刺面的纤维与纤维之间摩擦较其蓬松面多，纤维纠缠更紧密，针刺面的密度大于其蓬松面的密度.密度对材料中低频的吸声性能影响较大，一定范围内，密度越大，吸声材料的微孔数量就越多，声波与吸声材料之间就有更大的接触表面积，材料中低频的吸声性能就越好.同时，在加工过程中，单面预针刺非织造布针刺面的表面纤维被刺针转移的数量多于蓬松面，纤维与纤维之间孔隙的迂曲度也大于蓬松面，这就增加了声波与吸声材料之间的空气流阻，所以就有更多的声能转化成热能而耗散掉.因此对于单面预针刺非织造布而言，其针刺面的吸声系数大于蓬松面的吸声系数.

而对于相同质量的单面预针刺非织造布、双面预针刺非织造布和针刺非织造布而言，由于厚度是影响材料中低频吸声系数的关键因素，在一定范围内，材料的厚度越大，材料内部通透的微孔数量及微孔的迂曲度就越大，因而材料中低频的吸声系数也就越大，所以中低频段内，不同工艺针刺非织造布的吸声系数大小顺序为：单面预针刺＞双面预针刺＞针刺非织造布.

2.3 纤维截面形状、细度对吸声性能的影响

图4为采用不同纤维制备所得单面预针刺非织造布针刺面的吸声系数曲线.

2.3.1 纤维截面形状的影响

由图4可以看出，在125～2 000 Hz频段范围内，吸声系数由高到低的顺序依次是1.67 dtex中空纤维材料、6.67 dtex中空纤维材料、1.67 dtex圆形截面纤维材料、6.67 dtex圆形截面材料.200 Hz以下时吸声系数的差距不明显.250 Hz时，中空截面预针刺非织造布的吸声系数比圆形截面预针刺非织造布的吸声系数约大0.04；而且从图4中可以看出，随着声波频率的增大，中空纤维与圆形截面纤维组成的非织造布的吸声系数的差距就越显著.这一方面是因为中空纤维自身的三维卷曲结构决定其厚度大于圆形截面纤维材料的厚度，而厚度是影响材料中低频吸声性能的重要因素，厚度大，材料的微孔就越多，穿过材料的空气流阻就相对大，那么材料中低频的吸声性能就越好.另一方面是由中空纤维的外部结构和其内部结构决定的.中空纤维外部的三维卷曲结构使得其非织造布材料内部微孔的迂曲度增加，这大大增加了声波与纤维接触的比表面积；同时中空纤维是轴向具有管状空腔的纤维，单根纤维内部即有微孔，也在很大程度上增加了声波与材料接触的比表面积，声波与中空纤维材料就会有更多的摩擦，进而延长了声波在材料内部反复反射的时间，这就会有更多的声能转换为热能而耗散掉，从而其吸声系数相对于圆形截面纤维也就越大.

2.3.2 纤维细度的影响

由图4还可以看出，在125～2 000 Hz频段范围内，1.67 dtex圆形截面纤维材料针刺面的吸声系数大于6.67 dtex圆形截面纤维材料针刺面的吸声系数；1.67 dtex中空纤维材料针刺面的吸声系数大于6.67 dtex中空材料针刺面的吸声系数.200 Hz以下时吸声系数的差距不明显.而250 Hz时，1.67 dtex预针刺非织造布的吸声系数比6.67 dtex预针刺非织造布的吸声系数约大0.03；而且从图4中可以看出，随着声波频率的增大，1.67 dtex纤维组成的非织造布与6.67 dtex纤维组成的非织造布之间的吸声系数差距增大的趋势越来越明显.

以上现象表明：其他条件相同时，纤维越细，则材料的吸声性能越好.这是因为纤维越细，单位重量内纤维的根数就越多，纤维与纤维之间就有更多的微孔和接触表面积，其他情况相同时，材料的孔隙率就越大，同时声波与材料的接触比表面积也越大，会有更多的声能转换为热能而耗散掉，所以细纤维组成的非织造布的吸声系数比粗纤维的吸声系数大.

3 结论

针刺非织造布的吸声性能与许多因素有关，文中仅从组成非织造布的纤维截面、纤维细度和非织造加工工艺方面对非织造布低频吸声性能的影响进行探讨，可以得出以下结论：

（1）200 Hz以下，各非织造布试样的吸声系数差距不明显.

（2）250 Hz时，预针刺非织造布的吸声系数比针刺非织造布的吸声系数约大0.06；中空截面纤维非织造布的吸声系数比圆形截面纤维非织造布的吸声系数约大0.04；1.67 dtex纤维组成的非织造布中低频的吸声系数比6.67 dtex纤维组成的非织造布吸声系数约大0.03.而且以上吸声系数差距均随着声波频率的增大而越加明显.

（3）单面预针刺非织造布针刺面中低频的吸声系数也比其蓬松面中低频的吸声系数大.

综上所述，由三维卷曲中空细纤维加工成的预针刺非织造布针刺面中低频的吸声性能良好，这为轻质高吸声性能材料的研究提供了有利条件.

[1] 胡立晨，陈福源，晏 雄.柔性针刺非织造材料吸声性能分析[J].玻璃钢/复合材料，2010（1）：53-56，66.

[2]李 晶，郭秉臣.非织造布吸声材料的现状与发展[J].非织造布，2007，15（1）：8-13.

[3]马永喜，王 洪，靳向煜.复合针刺非织造布的结构与吸声性能研究[J].非织造布，2009，17（4）：31-34.

[4]马永喜，王 洪，靳向煜.二次加固对复合针刺吸音材料结构和性能影响的研究[J].非织造布，2009，17（5）：28-31.

[5] TASCAN Mevlut，VAUGHN Edward A.Effects of fiber denier，fiber cross-sectional shape and fabric density on acoustical behavior of vertically lapped nonwoven fabrics[J].Journal of Engineered Fibers and Fabrics，2008（3）：32-38.

[6]KOIZUMI T，TSUJIUCHI N，ADACHI A.The development of sound absorbing materials using natural bamboo fibers[C]// High Performance Structure And Composites Book.UK：WIT Press，2002：157-166.

[7]赵松龄.驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范[M].上海：同济大学出版社，1986.

Influence factors on sound absorption performance of needle-punch nonwovens at low and medium frequencies

LIU Yu-jie，LI Xin-yu，LIU Long
（School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

Round-section polyester fibers and hollow-section polyester fibers with different finenesses are made to preneedling punched nonwovens and needle-punched nonwovens，then their sound-absorbing coefficients at low and medium frequencies（125-2 000 Hz）are tested by SZZB standing wave tube method.The effects of different fiber finenesses，fiber cross-sectional shapes and needle-punched processes of nonwovens on sound-absorbing performance are compared.The results show that the gap of sound-absorbing coefficients of nonwoven samples below 200 Hz is not obvious.At 250 Hz，sound-absorbing coefficients of nonwovens which are composed of hollow fibers are about 0.04 higher than those of nonwovens with round cross-sectional shaped fibers；sound-absorbing coefficients of nonwovens with 1.67 dtex fibers are approximate 0.03 higher than those of nonwovens with 6.67 dtex fibers；sound-absorbing coefficients of pre-needl punched nonwovens are about 0.06 higher than those of needle-punch nonwovens；all the range of absorption coefficients is obvious with the increase of acoustic frequency.

needle-punch nonwovens；low and medium frequencies；sound-absorbing coefficient；pre-needling

TS176.3

A

1671－024X（2010）06－0028－04

2010-07-29 基金项目：天津市高等学校科技发展基金计划项目（20051610）

刘玉杰（1984—），女，硕士研究生.

李新禹（1964—），男，教授，硕士生导师.E-mail：xinyuli7627@sina.com