呂 麗 華, 畢 吉 紅, 史 俊 輝, 程 慧 靜, 左 敏
( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )
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廢棄纖維吸聲復(fù)合材料的制備及性能
呂 麗 華,畢 吉 紅,史 俊 輝,程 慧 靜,左 敏
( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連116034 )
摘要:分別以廢棄麻纖維和廢棄聚氨酯為增強材料和基體材料,添加金屬鐵粉,以共混塑煉-熱壓法制備復(fù)合材料,并以復(fù)合材料和丙綸氈復(fù)合制備多層復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲材料。結(jié)果表明,隨著丙綸氈層數(shù)的增加,多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)隨之升高。當(dāng)丙綸氈為4層時,在高頻時吸聲系數(shù)可達(dá)到1。多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能受組合方式影響較大,當(dāng)丙綸氈層數(shù)相同,若表面阻抗與空氣阻抗匹配,吸聲系數(shù)較大;反之,吸聲系數(shù)較小。
關(guān)鍵詞:廢棄纖維;吸聲性能;復(fù)合材料
0引言
我國是生產(chǎn)和使用紡織纖維的大國。據(jù)統(tǒng)計,我國每年排出2 000萬t左右與纖維有關(guān)的廢棄物[1-3]。不僅造成資源浪費,對環(huán)境產(chǎn)生的污染也越來越嚴(yán)重,還暗藏火災(zāi)的隱患。如何將這些廢棄纖維加以回收利用已迫在眉睫[4-5]。另一方面,噪音已成為繼空氣污染、水質(zhì)污染之后又一個影響人們生活安全的污染源[6-7]。噪音不僅嚴(yán)重危害人類的身體健康;而且會加速材料的老化,影響設(shè)備及儀表的精度和使用壽命。鑒于此,各國政府和科研工作者致力于研究噪音控制[8-10]。目前,綜合性能優(yōu)異的高分子吸聲材料獲得了廣泛應(yīng)用。高分子聚合物由于具有優(yōu)良的黏彈性和內(nèi)阻尼特性,有利于將阻尼與其他吸聲機制融于一體,從而改善材料的吸聲性能[11-13]。
本實驗制備了多層復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲材料,并研究其吸聲性能,以期提供低成本原料制備的吸聲復(fù)合材料,帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益;并能夠節(jié)約資源,減少廢棄纖維對環(huán)境的污染,滿足環(huán)保的要求。
1實驗
1.1原料和儀器
廢棄聚氨酯,廢棄麻纖維,鐵粉,丙綸氈。
SJK-180雙輥塑煉機,武漢怡揚塑料機械有限公司;QLB-50D/QMN壓力成型機,江蘇無錫中凱橡塑機械有限公司;SW422、SW477駐波管/阻抗管吸聲隔音測試系統(tǒng),北京聲望公司。
1.2吸聲復(fù)合材料的制備
1.2.1復(fù)合材料的制備工藝參數(shù)
廢棄麻纖維長度12 mm,廢棄麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,熱壓溫度180 ℃,鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%,熱壓壓力10 MPa,熱壓時間10 min,材料厚度6 mm。
1.2.2吸聲復(fù)合材料的制備
(1)利用ANSYS二次開發(fā)成果對薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)的溫度場和溫差效應(yīng)進(jìn)行計算分析,快速方便,結(jié)果合理,可為空心墩結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
1.2.2.1丙綸氈性能參數(shù)
平方米克重,500 g/m2;厚度,2.1 mm;破裂強度,2.10 MPa;斷裂伸長率小于35%。
1.2.2.2吸聲復(fù)合材料的制備
將制備出的復(fù)合材料分別與1,2,3,4層丙綸氈以不同的組合方式,如圖1所示,用黏合劑黏結(jié),制備多層復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲材料。黑色塊代表復(fù)合材料,白色塊代表丙綸氈。
1.3檢測指標(biāo)
吸聲性能用吸聲系數(shù)的大小來評價,由SW422/SW477型駐波管/阻抗管吸聲隔音測試系統(tǒng)測試。
2結(jié)果與討論
2.1多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能
按照圖1不同的組合方式制備的14種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)測試結(jié)果如表1所示。由表1可知,制備的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)較高,部分頻率下的吸聲系數(shù)可達(dá)1,即材料有良好的吸聲性能。通常采用頻率為125,250,500,1 000,2 000,4 000 Hz下,6個吸聲系數(shù)的平均值作為材料的吸聲系數(shù)[15]。通過計算,14種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)分別為:0.165,0.245,0.260,0.305,0.368,0.237,0.292,0.437,0.510,0.243,0.298,0.532,0.565,0.582。除了第1種組合外,吸聲系數(shù)都大于0.2,滿足吸聲材料的要求。當(dāng)材料達(dá)到5層時,吸聲系數(shù)大于0.5,即為理想吸聲材料。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
(k)
(l)
(m)
(n)
圖1 多層復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲材料組合圖
表1 14種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)
2.2組合方式對多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料吸聲性能的影響
為了研究層數(shù)相同時,不同組合方式對材料吸聲性能的影響,分別將雙層、3層、4層和5層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)作圖,吸聲系數(shù)曲線分別如圖2~5所示。
2.2.1雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能
圖2為2種雙層結(jié)構(gòu)材料吸聲系數(shù)的曲線圖。由圖2可知,在中低頻時,b的吸聲系數(shù)大于a;而在高頻時,a的吸聲系數(shù)大b。這是因為丙綸氈屬于多孔材料,具有優(yōu)異的吸聲性能。而廢棄麻纖維/聚氨酯復(fù)合材料屬于硬質(zhì)材料,隔音性能較好。a是丙綸氈靠近聲源,當(dāng)聲波入射到雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料,首先是接觸到丙綸氈,先由作為吸聲材料的丙綸氈吸收大部分聲波。透過丙綸氈的聲波接觸到作為隔音材料的廢棄麻纖維/聚氨酯復(fù)合材料,因其隔音性能較好,聲波大部分被反射到丙綸氈上。如此反復(fù),所以此雙層結(jié)構(gòu)材料吸收的聲波多,即吸聲系數(shù)高。b是廢棄麻纖維/聚氨酯復(fù)合材料靠近聲源,入射的聲波大部分直接被反射。所以其吸收的聲能少,即吸聲系數(shù)低。因此,在高頻區(qū)域,a的吸聲系數(shù)大于b;但在中低頻,由于雙層結(jié)構(gòu)材料中靠近聲源是廢棄麻纖維/聚氨酯復(fù)合材料比丙綸氈的表面阻抗與空氣阻抗更匹配,所以b的吸聲系數(shù)大于a。
圖2 雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料吸聲系數(shù)曲線
2.2.23層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能
圖3為3種3層結(jié)構(gòu)材料吸聲系數(shù)的曲線。在低頻時,吸聲系數(shù)由大到小依次為c,d,e。即廢棄麻纖維/聚氨酯復(fù)合材料越靠近聲源,吸聲系數(shù)越大。這是因為c與d相比,c的表面阻抗與空氣阻抗更匹配。而在中高頻時,e大于c和d。在中高頻時,e的吸聲系數(shù)高,原理與“2.2.1”相同。c和d的曲線呈現(xiàn)交錯上升趨勢,即這兩種排列方式對吸聲系數(shù)的影響不大。
圖3 3層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料吸聲系數(shù)曲線
2.2.34層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能
4層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)曲線圖如圖4所示??梢钥闯觯诘皖l時,4種結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)大致相同。即在低頻時,4種排列方式對吸聲系數(shù)的影響不大。但在中高頻時,i的吸聲系數(shù)大大增加,且在高頻時接近1,具有優(yōu)異的吸聲性能。即前3層為丙綸氈,第4層為廢棄麻纖維/聚氨酯復(fù)合材料這種組合方式,復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能好,是理想的吸聲材料。h的吸聲系數(shù)也較高,f和g的吸聲系數(shù)較低且呈交錯上升趨勢。說明當(dāng)丙綸氈為3層時,不同的組合方式對吸聲性能影響較大。
圖4 4層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料吸聲系數(shù)曲線
2.2.45層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能
5層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)曲線如圖5所示??梢钥闯觯?dāng)丙綸氈達(dá)到4層時,l、m、n 3種復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)較高,中高頻時甚至達(dá)到1;而j和n的吸聲系數(shù)較低。即當(dāng)廢棄麻纖維/聚氨酯復(fù)合材料夾在中間時,吸聲性能好。當(dāng)廢棄麻纖維/聚氨酯復(fù)合材料靠近聲源和遠(yuǎn)離聲源時,組合形成的5層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的阻抗不匹配,因此吸聲性能較差。
圖5 5層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料吸聲系數(shù)曲線
3結(jié)論
廢棄纖維吸聲復(fù)合材料的吸聲性能與諸多因素有關(guān)。本實驗僅從復(fù)合材料與丙綸氈以不同方式組合,研究了不同多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能。結(jié)果表明,隨著丙綸氈層數(shù)的增加,多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)隨之升高。當(dāng)材料達(dá)到5層時,吸聲系數(shù)可大于0.5,即為理想吸聲材料。當(dāng)丙綸氈層數(shù)相同, 組合形成的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)表面阻抗與空氣阻抗匹配時,吸聲性能較好;反之,吸聲性能較差。
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Fabrication and sound absorption properties of composites based on abandoned fibers
LYULihua,BIJihong,SHIJunhui,CHENGHuijing,ZUOMin
( School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )
Abstract:The abandoned jute fibers and polyurethane were used as reinforced materials and matrix materials, respectively, and the method of blending and hot pressing molding was used to fabricate composites adding iron powder. Jute/polyurethane composite was combined with the polypropylene fiber mat layer to prepare multi-layer composite sound absorption structure. The results showed that the sound absorption coefficient of the multilayer composite sound absorption structure was increased with the polypropylene fiber mat layer. When the polypropylene fiber mat was 4 layers, the absorption coefficient could reach to 1 at high frequency. The sound absorption property of multi-layer composite sound absorption structure was influenced by combination. When the polypropylene fiber mat layers were the same, the sound absorption coefficient was larger if the surface impedance and air impedance was matched. Otherwise, the sound absorption coefficient was smaller.
Key words:abandoned fibers; sound absorption property; composites
中圖分類號:TS102.9
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
作者簡介:呂麗華(1978-),女,副教授.
基金項目:遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃項目(LJQ2012047).
收稿日期:2014-10-21.
文章編號:1674-1404(2016)02-0115-04