聚乙烯醇纳米纤维膜_罗纹空...复合吸声材料的制备及其性能_周泠卉.pdf
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1、第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20211002406聚乙烯醇纳米纤维膜/罗纹空气层织物复合吸声材料的制备及其性能周泠卉1,2,曾 佩1,2,鲁 瑶3,付少举1,2(1.东华大学 纺织学院,上海 201620;2.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;3.浙江药科职业大学 医疗器械学院,浙江 宁波 315000)摘 要 为探究针织物基复合吸声材料在降低噪声方面的可应用性,通过制备聚乙烯醇纳米纤维膜与罗纹空气层织物复
2、合材料,研究其吸声及其它基本性能,采用正交试验法对影响材料声学性能的因素进行分析,通过对实验数据进行极差分析,探究该材料可用于吸声的最佳参数。结果表明:复合材料吸声性能的影响因素从大到小依次为:覆膜情况、密度盘刻度、纱线种类;当密度盘刻度为 2、毛/腈(50/50)混纺纱覆膜的情况下,复合材料的吸声效果达到最佳,平均吸声系数高于 0.3,可用作吸声材料;聚乙烯醇纳米纤维膜的增加对织物吸声性能有很大改善;织物的吸声系数随着织物密度的增加而提高。关键词 罗纹空气层织物;聚乙烯醇;吸声性能;静电纺丝;复合材料中图分类号:TS 181.8 文献标志码:A 收稿日期:2021-10-13 修回日期:20
3、22-06-10第一作者:周泠卉(1999),女,硕士。主要研究方向为功能纺织品。通信作者:付少举(1992),男,讲师,博士。主要研究方向为生物医用纺织品。E-mail:。噪声污染、水污染、大气污染和固体废弃物污染构成了当今社会的四大污染。其中噪声污染的危害仅次于大气污染 1。工业革命以来创造和使用的各种机械设备,促进了人类的经济快速增长的同时,噪声污染问题也随之越发严重。噪声不仅会损伤听力,还会导致各类疾病的发生,妨碍了人们的日常生活和工作2。一般是从声源降低噪声、在传播过程中降低噪声以及在人耳处降低噪声。应用吸声材料是在传播过程中降低噪声的方法,也是最直接有效的方法之一。纺织材料具有结构
4、多孔疏松、可加工性高以及轻薄柔软等特点,在吸声隔声领域是一个研究热点。目前,学术领域对吸声纺织材料的研究大多聚焦在非织造材料上3,但其纺织品在外形花样设计、使用范围等方面较为局限。针织技术可设计更多的花型,制备的吸声织物应用范围也更广,同时,针织物还具有很好的悬垂性和全成形性。孔隙率是影响纤维材料吸声性能的主要因素之一4。与非织造材料相比,针织材料的孔隙率过大,这就导致纤维与声波间的接触面积减小,从而使得透射声能增大,吸收声能减小,最终使得材料的吸声效果减弱。相关研究5-6表明,聚乙烯醇(PVA)纳米纤维膜具有优良的中低频段吸声性能,而传统纺织品在高频的吸声性能较好,在中低频吸声较差,因此将P
5、VA 纳米纤维膜与针织材料复合对提高吸声性能具有一定的研究价值。罗纹空气层属于针织结构中的一种复合结构,由罗纹和平针组织复合而成,1 个完全组织由 1 个罗纹横列、1 个正面平针横列和 1 个反面平针横列组成,最终所得织物正反两面的平针组织互不相连,在织物中形成了空气层结构7。本文根据纳米纤维膜在吸声材料中的应用,选用 PVA 制备纳米纤维膜。并将其与罗纹空气层组织进行复合,探究不同密度、纱线种类和纳米纤维膜对复合材料吸声性能的影响。1 试验部分1.1 材料和设备 纱线:35 tex2 羊毛/抗起球腈纶(50/50)混纺纱;42 tex4 纯羊毛纱线,由张家港编织人生网络科技有限公司提供。试剂
6、:聚乙烯醇(PVA,95%水解,百灵威科技有限公司),去离子水(实验室制备)。仪器:SK280 型编织机(机号 5.6 G,日本银精工株式会社),FA2004 N 型电子天平(上海菁海仪器有限公司),DF-101S 型集热式恒温加热磁力搅拌器(河南省予华仪器有限公司),KDS 系列注射泵(美国 KD Scientific 公司),5 mL 注射器、21 G 注 纺织学报第 44 卷射器针头、DW-P303-AADCD1 型高压直流电源(东文高压电源(天津)有限公司),接收板、铝箔纸、BSWA 型声望阻抗管(30/100 mm,北京声望声电技术有限公司),YG141 N 型数字式织物厚度仪(南通
7、宏大实验仪器有限公司),YG461 G 型全自动透气量仪(宁波纺织仪器厂)。1.2 罗纹空气层织物的制备 使用 2 种纱线通过改变密度盘参数,分别编织刻度为 2、3、4、5 的罗纹空气层 织 物,共 8 块。图 1 为罗纹空气层的组织编织图。表 1 列出分别用毛/腈混纺纱和纯羊毛纱织制的织物密度测试结果。图 1 罗纹空气层组织编织图Fig.1 Knitting diagram of Milano rib表 1 织物密度测试结果Tab.1 Test results of fabric density密度盘刻度织物用纱线编号横密/(纵行(5 cm)-1)纵密/(横列(5 cm)-1)2毛/腈混纺纱
8、1730纯羊毛纱18303毛/腈混纺纱1526纯羊毛纱17284毛/腈混纺纱1425纯羊毛纱17255毛/腈混纺纱1423纯羊毛纱16231.3 正交试验设计 为探究影响复合材料吸声性能的因素,采用正交试验法,以密度盘刻度、纱线种类、覆膜情况为3 个可变因素进行设计,其中密度盘刻度选 2、3、4、5,纱线种类选毛/腈混纺纱、纯羊毛,覆膜情况选覆膜、不覆膜,试验因素水平表如表 2 所示。选择与设计的因素水平最接近的正交表为 L8(2441),如表 3所示。表 2 试验因素水平表Tab.2 Experimental factors and levels水平密度盘刻度纱线种类覆膜情况12毛/腈混纺纱
9、覆膜23纯羊毛纱不覆膜3445表 3 正交试验设计表Tab.3 Orthogonal experimental design试验号因素 1因素 2因素 3因素 4因素 5111111211223312122412214521124621212722113822221由于正交表 L8(2441)需要的因素有 5 个,而本文试验因素只有 3 个,因此使用组合法删去因素 2 和因素 3,得到改造后的正交试验设计表,如表 4 所示。表 4 改造后的正交试验设计表Tab.4 Modified orthogonal experimental design试样编号密度盘刻度纱线种类覆膜情况12毛/腈混纺纱覆
10、膜24纯羊毛纱覆膜33毛/腈混纺纱不覆膜45纯羊毛纱不覆膜55毛/腈混纺纱覆膜63纯羊毛纱覆膜74毛/腈混纺纱不覆膜82纯羊毛纱不覆膜根据表 4 可确定需要覆膜的织物为试样 1、试样 2、试样 5、试样 6 织物。1.4 复合材料的制备1.4.1 静电纺丝溶液的配制 首先称取一定量的 PVA 粉末,加入去离子水至玻璃瓶中进行溶解,在 90 下通过磁力搅拌器搅拌2 h,配制成质量分数为 10%的 PVA 静电纺丝溶液,静置至恒温。1.4.2 复合材料的制备 图 2 为静电纺丝过程示意图。将均质透明黏稠的 PVA 静电纺丝溶液装入配有 21 G 针头的 5 mL注射器中,将注射器固定在注射泵上,将
11、待覆膜织物固定在注射泵前方的接收板上,接收距离为 15 cm,施加 15 kV 高压静电,设定注射泵推进速度为0.6 mL/h,进行纺丝。在电场力作用下,从针头处挤出的 PVA 液滴被拉长形成泰勒锥,电场力克服液体表面张力形成带电喷射流,喷射流在高速振荡中被迅速拉细,溶剂也迅速挥发,并以无序排列方式散落在接收板的织物上形成薄膜,由于附着力的存在薄膜可与织物结合在一起,观察接收板上薄膜形态至分布均匀后,取下该复合材料,即可获得 PVA 纳米纤维膜/针织空气层复合材料。47第 3 期周泠卉 等:聚乙烯醇纳米纤维膜/罗纹空气层织物复合吸声材料的制备及其性能 图 2 静电纺丝示意图Fig.2 Diag
12、ram of electrospinning process1.5 性能测试1.5.1 吸声性能测试 吸声性能通常用吸声系数()表征,数值在 01 之间,数值越大表明吸声效果越好8,可用以下公式计算:=EEi=Ei-ErEi式中:E为吸收声能,J;Ei为入射声能,J;Er为反射声能,J。根据 GB/T 18696.22002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,将材料各自裁剪成直径为 10 cm 和 3 cm 的圆形薄片。分别使用 30 mm 和 100 mm 的声望阻抗管测量样品的吸声系数,其中 30 mm 小管用于测量 1 000 6 300 Hz 频率范围内的吸
13、声系数,100 mm 管用于测量 2501 600 Hz 频率范围内的吸声系数。测试条件:大气温度为22.0,相对湿度为50.0%,大气压力为 1.0 Pa,声速为 344.457 m/s。1.5.2 透气性能 根据 GB/T 54531997纺织品 织物的透气性测定,采用全自动透气量仪对织物进行透气性测试。测试压降为 200 Pa,测试面积为 20 cm2。1.5.3 厚度与面密度 根据 GB/T 38201997纺织品和纺织制品厚度的测定,采用数字式织物厚度仪对织物进行厚度测试。根据 FZ/T 700102006针织物平方米干燥重量的测定,将调湿后的试样放入 105110 的烘箱内烘干至恒
14、定质量后称量,并计算试样面密度。2 结果与讨论2.1 吸声性能分析 各试样吸声系数对比如图 3 所示。可看出,8 个样品在中低频段(2501 600 Hz)的吸声系数均小于 0.1,且变化不大,其中试样 3 的吸声效果相对略好。在高频范围(2 0006 300 Hz)内,试样 1 的吸声效果最好,平均吸声系数高于 0.3,可作为吸声材料进行研究,其余样品的吸声效果相差不大。图 3 各试样吸声系数对比图Fig.3 Comparison of acoustic absorption coefficients of samples结合正交试验,使用极差分析(直观分析法),吸声系数影响因素极差分析结果
15、如表 5 所示。其中,K 值为每个因子在各水平试验数据的加和值;Kav值为每个因子在各水平试验数据的平均值;最佳水平为每个因子 Kav值最大时对应的水平;R 为每个因子 Kav值的最大值减去 Kav值的最小值;r 为每个水平平均试验次数;d 为折算系数;R为折算后的极差值。由表可知,对试样吸声性能影响最大的因素为覆膜情况,其次为密度,最后为纱线种类。各因素的最优组合为密度盘刻度 2、选用毛/腈(50/50)混纺纱、覆膜。表 5 吸声系数影响因素极差分析表Tab.5 Range analysis of factors affecting sound absorption coefficient项
16、目水平密度盘刻度纱线种类覆膜情况K 值10.790.8920.530.750.6530.3840.3350.30Kav值10.200.2220.260.190.1630.1940.1750.15最佳水平2 1 1 R0.110.010.06水平数量422每水平重复数 r2.04.04.0折算系数 d0.450.710.71R0.070.010.08对 3 种影响因素进行分析可知,PVA 纳米纤维膜的复合大大提高了织物的吸声系数,这是由于PVA 纳米纤维直径小,比表面积大,声波与纤维的摩擦与热交换面积也就增大9,从而使吸声效果增加。密度盘刻度的调节改变的是织物密度,由表 1可知,密度盘刻度为 2
17、 时,织物密度最大,织物密度随密度盘刻度的增加而递减,由此可知在该条件下57 纺织学报第 44 卷织物吸声系数随着织物密度的增加而提高。文献10研究结果表明,以羊毛、毛/涤、毛/麻为原料制备的 3 种非织造材料中,纯羊毛非织造材料的吸声性能最优。由图 3 可看出,本文所选用的2 种纱线种类对材料吸声系数的影响差别不大,这是由于腈纶的性能与羊毛相似。2.2 透气性能分析 织物透气性测试结果如图 4 所示。图 4 织物透气性测试结果Fig.4 Test results of air permeability of fabrics将样品按平均透气率从高到低的顺序排序为试样 7、试样 6、试样 8、试
18、样 4、试样 5、试样 2、试样 3、试样 1。为进一步研究密度盘刻度、纱线种类以及覆膜情况对织物透气性能的影响水平,使用极差分析法得到表 6。表 6 透气性影响因素极差分析表Tab.6 Range analysis of factors affecting air permeability项目水平密度盘刻度纱线种类覆膜情况K 值15 159.875 253.6022 635.026 357.646 263.9132 905.1743 274.6452 702.68Kav值11 289.971 313.4021 317.511 589.411 565.9831 452.5941 637.325
19、1 351.34最佳水平422R319.81299.44252.58水平数量422每水平重复数 r2.04.04.0折算系数 d0.450.710.71R203.53425.21358.66通过比较表 6 中 R大小,得到对透气性影响最大的因素为纱线种类,其次为覆膜情况,最后为密度。当 3 种因素的水平为密度盘刻度选用 4、纯羊毛纱、不覆膜时织物的透气性能最佳。通过比较 R大小得出,在本文试验中纱线种类对透气性能的影响较大。根据文献11可知,棉、麻、羊毛等天然纤维和蛋白质纤维织物的透气性好于锦纶和涤纶等合成纤维织物,天然纤维的内部结构比化学纤维蓬松,因此毛/腈(50/50)混纺纱织成的织物比纯
20、羊毛纱织成的织物透气性更好。其次,覆膜情况也对织物透气性有影响,总体来看,覆有 PVA 纳米纤维膜的织物透气性比不覆膜的织物差。这是由于 PVA 纳米纤维直径很细,具有较大的比表面积,透气量就小,因此在织物表面复合PVA 纳米纤维膜降低了其透气性能。另外,密度对透气性也有一定影响,根据表 6 中的 Kav值可看出,在一定范围内,随着密度的减小,织物透气性增强,但超出临界值时,织物透气性随着密度减小而降低。2.3 厚度与面密度 图 5 示出织物厚度与面密度的测试结果。图 5 织物厚度和面密度测试结果Fig.5 Test results of thickness(a)and surface den
21、sity(b)of fabricsManish Raj 等12研究结果表明,随着厚度的增加,材料吸声系数提高,其中低频表现最为突出。从图 5 可知,各试样厚度相差不大,因此对吸声性能的影响并不大。按厚度分这 8 块样品均属于厚重型织物。面密度按从高到低排列依次为试样 5、试样 3、试样 2、试样 1、试样 8、试样 6、试样 7、试样 4,说明试样 5 相对最厚重,试样 4 相对最轻薄,按面密度分这 8 块样品均属于中厚型织物。67第 3 期周泠卉 等:聚乙烯醇纳米纤维膜/罗纹空气层织物复合吸声材料的制备及其性能 3 结 论 本文通过静电纺喷涂将 PVA 纳米纤维膜与罗纹空气层织物复合制备了吸
22、声材料,研究了该复合材料的吸声性能,探讨了纱线种类、织物密度以及覆膜对吸声性能的影响,得到以下结论。1)复合材料吸声性能的影响因素从大到小依次为:覆膜情况、密度盘刻度、纱线种类,确定最佳组合参数:密度盘刻度为 2、纱线用毛/腈(50/50)混纺纱、覆膜。2)PVA 纳米纤维膜对织物的吸声性能有很大改善,在本文试验中织物的吸声系数随着织物密度的增加而提高,本文研究中选用的 2 种纱线线密度相差不大,对吸声性能的影响也不大。3)织制的 8 块试样的厚度均在 3.44.0 mm 范围内,按厚度属于厚重型织物;面密度均在 100 250 g/m2范围内,按面密度属于中厚型织物。4)对织物透气性的影响因
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