李 濤，何宇辰，姚智敏，蔡 俊，李 華

(1. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，合肥 230022； 2. 上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；3.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

隨著經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的追求不斷提升，噪聲污染問題越來越受到了重視[1-2]。由于長期處于噪聲環(huán)境下，容易使人疲憊和煩躁，甚至產(chǎn)生聽力和心血管疾病[3-4]。為此，噪聲污染控制措施被廣泛用于各種降噪場所，比如高速公路兩側(cè)的聲屏障、屋頂空調(diào)機組的消聲百葉、噪聲設(shè)備的隔聲罩等[5]。但由此也對噪聲控制材料提出了更高的需求。

聚酯纖維是由對苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿岫柞ゼ耙叶冀?jīng)過縮聚、紡絲而成。聚酯纖維吸聲板是一種典型的多孔吸音材料，吸聲效果較好[6]，其材料內(nèi)部有大量微小且連通的孔隙，聲波沿著這些孔隙傳播到材料內(nèi)部，與纖維表面發(fā)生摩擦作用，聲能被轉(zhuǎn)化為熱能而消耗[7-8]。因此，吸聲性能受材料厚度、密度、背后空腔深度及空氣流阻率等多方面的影響[9]。彭立民等[10]研究發(fā)現(xiàn)流阻率對木質(zhì)纖維/聚酯纖維復(fù)合材料的吸聲性能有明顯影響，流阻率過高過低均會導(dǎo)致吸聲系數(shù)的下降。Yuxia Chen等[11]利用聚酯纖維與廢棄絲瓜屑作為原料，通過熱壓法制備得到復(fù)合纖維吸聲材料，結(jié)果表明，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)隨著材料密度、厚度和背后空腔深度的增加而增加。M. Kucuk等[12]研究了物理參數(shù)對無紡布吸聲性能的影響，材料厚度的增加使得流阻率的降低和單位面積內(nèi)纖維量的增加，導(dǎo)致了材料吸聲性能的提高。上述研究都是從材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的角度開展的，而從纖維參數(shù)的角度開展研究未見報道。

為此，本研究以不同纖維參數(shù)的聚酯纖維為實驗對象，通過制備不同纖維參數(shù)的聚酯纖維板，系統(tǒng)地探究纖維截面形狀、纖維細度和纖維長度對聚酯纖維板吸聲性能的影響程度，并采用響應(yīng)面法進一步優(yōu)化聚酯纖維參數(shù)，從而為今后優(yōu)良吸聲性能的聚酯纖維板制備提供參考和依據(jù)。

1 纖維多孔材料的吸聲理論模型

眾所周知，纖維是構(gòu)成纖維吸聲材料的主要原料，纖維參數(shù)的差異會不同程度地影響纖維材料的吸聲性能。在目前常用的多孔吸聲材料預(yù)測模型中，Johnson-Champoux-Allard模型是纖維多孔材料最常用的吸聲性能預(yù)測模型。模型預(yù)測需要用到的粘滯特征長度Λ和熱特征長度Λ′這兩個關(guān)鍵參數(shù)，均是通過將纖維細度和單位體積材料纖維總長度帶入以下式(1)～(3)來計算獲得的[13]。

L=4ρ1/πd2ρm

(1)

(2)

Λ′=2Λ

(3)

其中，L是材料單位體積的總有效長度，d是纖維直徑，ρ1和ρm分別表示樣品和材料的體積密度。

從上面的理論預(yù)測模型可以得到，纖維細度和長度的差異會導(dǎo)致材料吸聲性能的差異。而相對于傳統(tǒng)圓形截面纖維，異形截面纖維的纖維細度和長度變化對吸聲性能的影響規(guī)律未見研究報道，需進一步系統(tǒng)分析。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

(1)試驗選用的聚酯纖維原材料相關(guān)參數(shù)見下表1。

表1 聚酯纖維參數(shù)表

上述異形聚酯纖維的截面形狀由光學(xué)顯微鏡實測得到，如圖1所示。

圖1 異形纖維截面形態(tài)的光學(xué)顯微圖Fig 1 Shape of fiber section under optical microscope

(2)低熔點纖維：熔點110～135 ℃，主要作用是利用其熔點低的特點使其在吸音板熱壓過程中熔化充當聚酯纖維原料粘結(jié)劑[14]。

2.2 試驗儀器與設(shè)備

LP-S-50型平板壓機：泰國Labtech工程公司；BSWA SW422 490181型阻抗管：北京聲望聲電技術(shù)有限公司；Olympus BX 43 熒光正置顯微鏡：奧林匹斯(中國)有限公司。

2.3 聚酯纖維板的制備

(1)混合開松。將聚酯纖維、低熔點纖維按照質(zhì)量比1∶1稱取原料進行混合和開松處理，使得兩種纖維得以均勻分布。

(2)梳理鋪裝。將開松后的纖維集合體進一步梳理松解，處理成較薄的纖維層。根據(jù)試驗所需的容重參數(shù)，對纖維層進行裁剪并疊加至所需容重對應(yīng)的質(zhì)量，然后鋪裝進加工模具。

(3)熱壓制樣。將裝有纖維層的模具放入平板壓機中，熱壓溫度180 ℃，熱壓時間為8 min。熱壓結(jié)束后，連同模具取出后冷卻至室溫既得試驗樣品。制得的試樣體積密度均為150 kg/m3左右，厚度為8 mm左右。

2.4 吸聲性能測試方法

本研究的吸聲性能采用阻抗管測試系統(tǒng)根據(jù)GB/T 18696.2—2002《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量第2部分：傳遞函數(shù)法》進行測量[15]。將制備得到的聚酯纖維材料分別按照測試儀器樣品截面要求裁剪成直徑為100 mm(測試頻率為80～1 600 Hz)和30 mm(測試頻率為1 600～6 300 Hz)的圓形試樣。將需測試的試樣置于駐波管一端，試樣與管壁處無縫隙。每個試樣測量3遍取平均值，測試范圍為80～6 300 Hz。

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維截面形狀對聚酯纖維吸音材料吸聲性能的影響

選用纖維細度均為3 D，纖維長度為51 mm的圓形、扁平、三角、十字形4種不同截面形狀的聚酯纖維，情況下制備的8 mm聚酯纖維板(實貼)的吸聲曲線，如圖2所示。

圖2 不同截面形狀的聚酯纖維吸聲材料吸聲系數(shù)曲線Fig 2 The influence of different section shape on absorption coefficient

圖2為不同截面形狀的聚酯纖維吸聲板(8 mm厚，實貼，纖維細度為3 D)的吸聲系數(shù)曲線。由圖中可知，在低頻階段，纖維材料的吸聲系數(shù)整體較小，相互差異不大。當頻率超過300 Hz，纖維材料的吸聲系數(shù)逐漸提高，異形截面(十字形、三角形與扁平形)聚酯纖維板的吸聲系數(shù)明顯高于圓形聚酯纖維的吸聲系數(shù)，其中扁平形的吸聲系數(shù)最大。這是由于與圓形截面相比，異形纖維的截面形狀特殊，光滑性差，纖維表面的摩擦大。此外，異形纖維材料的比表面積相對于同質(zhì)量的圓形纖維更大。因此，相同條件下的異形纖維可以提供更多與聲波接觸的面積，聲能在材料內(nèi)部的傳播過程中與異形纖維表面接觸就會更多地轉(zhuǎn)化為熱能，從而提高了吸聲系數(shù)[16]。

3.2 纖維細度對聚酯纖維吸音材料吸聲性能的影響

選取纖維長度為51 mm，纖維細度分別為3、9、16、33、55 D 5種情況下制備的8 mm聚酯纖維板(實貼)的吸聲曲線，如圖3所示。

圖3 不同纖維細度的聚酯纖維吸音材料吸聲系數(shù)曲線Fig 3 The influence of different fiber fineness on absorption coefficient

從圖3可以看出，在中低頻范圍，整體吸聲系數(shù)較小，差異并不明顯。但在中高頻范圍，纖維細度較小的聚酯纖維吸聲性能相對更好。這是因為相同情況下，纖維越細表示單位面積內(nèi)含有的聚酯纖維根數(shù)越多，聲波進入材料內(nèi)部后就會與纖維表面有更多的接觸機會。因此，聲波與材料的摩擦不僅會增加，而且聲波在材料內(nèi)部的傳播時間也會延長，也就使更多的聲能轉(zhuǎn)換成熱能而耗散掉[17]。

3.3 纖維長度對聚酯纖維吸音材料吸聲性能的影響

選取纖維細度為9 D，纖維長度分別為51、65、72 mm 3種情況下制備的8 mm聚酯纖維板(實貼)吸聲曲線如圖4所示。

圖4 不同纖維長度的聚酯纖維吸音材料吸聲系數(shù)曲線Fig 4 The influence of different fiber lengths on absorption coefficient

從圖4中可以看出，長度為65 mm的聚酯纖維樣品吸聲效果比51 mm、72 mm的樣品有較小的提高，但三者之間的差別并不顯著。這是因為纖維材料的孔隙是由纖維之間交錯構(gòu)造而成的，盡管纖維長度不同，但對材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)改變不大。因此，聚酯纖維的長度對材料的吸聲效果影響不明顯。

3.4 纖維參數(shù)的響應(yīng)面法優(yōu)化分析

基于上述研究結(jié)果，本研究采用Design Expert優(yōu)化軟件對纖維參數(shù)進一步開展了響應(yīng)面法優(yōu)化分析。由于多孔纖維板背后留空腔的整體吸聲性能較高[18]，有利于參數(shù)的優(yōu)化分析，因此本研究以8 mm聚酯纖維板后留20 mm空腔的吸聲系數(shù)為參量，選取纖維細度、纖維長度作為因素展開兩因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，本研究選取了纖維細度9 D、纖維長度65 mm為中心試驗點，以此確定兩因素水平的設(shè)計范圍(表2)。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化分析的因素和水平

利用Design Export軟件針對表3的分析數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合分析，得到吸聲系數(shù)與各因素變量的方程模型如下：

表3 響應(yīng)面優(yōu)化分析的相關(guān)數(shù)據(jù)

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

對回歸模型進行方差分析，結(jié)果見表4。由表4知，纖維細度對吸聲系數(shù)有顯著影響。失擬項P值為0.8906>0.05，表明回歸模型擬合情況良好，可用于聚酯纖維板制備材料參數(shù)的分析和預(yù)測。

表4 回歸模型的方差分析結(jié)果

為此，研究擬合繪制了響應(yīng)曲面圖，見圖5。響應(yīng)曲面的陡峭程度可以反映因素作用顯著與否，當因素作用顯著時，響應(yīng)面坡度陡峭[19-21]。圖5表現(xiàn)出隨著纖維細度的改變，響應(yīng)面變化陡峭，說明纖維細度對聚酯纖維板吸聲系數(shù)影響顯著，這與上面的顯著性分析結(jié)果一致。

圖5 纖維細度與纖維長度的響應(yīng)曲面Fig 5 Response surface of fiber fineness and fiber length

從圖5中可以得到，最優(yōu)平均吸聲系數(shù)為0.5424，其最佳材料參數(shù)為纖維細度3 D、纖維長度61 mm?？紤]到實際可操作性，最終確定的材料參數(shù)為：纖維細度3 D、纖維長度65 mm。8mm厚聚酯纖維板后留20 mm空腔的吸聲系數(shù)均值為0.54，與理論預(yù)測值十分接近。

4 結(jié) 論

根據(jù)纖維多孔材料的吸聲理論模型，纖維參數(shù)(纖維截面、纖維細度和纖維長度等)會影響纖維材料的吸聲性能。為此，本研究以不同纖維參數(shù)的聚酯纖維板為研究對象，通過吸聲性能阻抗管測試來進一步分析纖維參數(shù)對纖維材料的影響規(guī)律，并采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到了最佳吸聲性能的聚酯纖維參數(shù)。研究結(jié)果表明：(1)異形聚酯纖維的吸聲性能在中頻階段均優(yōu)于普通圓形聚酯纖維，纖維細度小的聚酯纖維吸聲性能相對更好，而纖維長度對吸聲性能影響不明顯；(2)當纖維截面為扁平，纖維細度3 D、纖維長度65 mm，在此參數(shù)條件下制備的8 mm聚酯纖維板后留20 mm空腔的平均吸聲系數(shù)最佳，達到0.54。本研究成果為異形截面纖維的聲學(xué)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，也為聚酯纖維材料的高附加值使用提供了依據(jù)。