玄武岩包芯织物的制备及吸声性能

来源:用户上传      作者:李敏 刘基宏

　　摘要： 针对玄武岩纤维集束性差且可纺可织性低的缺点，使用涤棉纤维与玄武岩纤维制备3种线密度的赛络包芯纱线，并测试其基础性能。分别使用3种纱线织制平纹、蜂巢2种不同组织的机织物，探讨不同材料、厚度及排列方式对于织物吸声效能的影响。结果表明：所纺不同线密度包芯纱的质量均良好稳定，不同材料中包芯玄武岩织物的平均吸声性能最好;玄武岩平纹织物叠加到厚度3 mm的吸声性能时良好，但随着厚度增加，中低频吸声系数稍有下降;将2种组织织物交替复合的方式形成不同梯度的多孔结构，可显著提高织物的吸声性能，低中频的平均吸声系数在0.2以上，高频吸声系数可达0.7。
　　关键词： 赛络纺;机织物;吸声;排列方式;薄型柔性
　　中图分类号： TS104.5
　　文献标志码： A
　　文章编号： 10017003（2020）04002807
　　引用页码： 041106
　　DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.04.006（篇序）
　　Preparation of basalt core-spun fabric and its sound absorption properties
　　LI Min， LIU Jihong
　　（Key Laboratory of Eco-Textile， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）
　　Abstract：
　　In view of the disadvantages of basalt fiber of poor bunching， spinnability and weavability， polyester cotton fiber and basalt fiber were used to prepare siro-cored yarns of three finenesses， and their basic properties were tested. Three types of yarns were used to weave woven fabrics with plain weave and honeycomb weave， for purpose of exploring the effect of different materials， thickness and arrangement modes on the sound absorption properties of fabric. The results show that the quality of core-spun yarns with all the different finenesses is good and stable， and the average sound absorption performance of core-spun basalt fabrics is best. Superimposed basalt plain weave fabric reaching the thickness of 3 mm has good sound absorption performance， but its low and medium frequency sound absorption coefficient decreased slightly with the increase of thickness. When two types of woven fabrics are alternately combined to form porous structures with different gradients， the sound absorption performance of the fabric can be significantly improved， with the average acoustic absorption coefficient at low and medium frequency above 0.2， and that at high frequency up to 0.7.
　　Key words：
　　siro spinning; woven fabric; sound absorption; arrangement; thin and flexible
　　收稿日期： 20190806;
　　修回日期： 20200316
　　基金项目： 江苏高校优势学科建设工程资助项目（苏政办发〔2014〕37号）;江南大学自主科研项目（JUSRP51417B）;湖北省数字化纺织装备重点实验室开放课题资助项目（DTL2018006）
　　作者简介： 李敏（1995），女，硕士研究生，研究方向为高性能纤维纺纱。通信作者：刘基宏，教授，liujihongtex@hotmail.com。
　　聲环境是社会必不可少的组成部分[1]，现代社会的飞速发展导致噪声污染，对人的生理和心理产生诸多有害影响，噪声会干扰睡眠与正常交流[2]，且长时间处于噪声环境下会大幅度增加心理压力，降低工作效率，甚至对听力造成永久伤害等[3]。2018年12月29日，第十三届全国人民代表大会常务委员会第七次会议通过对《中华人民共和国环境噪声污染防治法》作出修改，噪声污染防治成为愈发关注的环境问题。现今纺织领域在吸声降噪方向的发展也趋于多元化，从纤维角度可分为有机、无机、金属及复合纤维吸声材料[4]等，从织物角度又有关于非织造布、机织物、针织物、复合材料[5-6]等吸声材料的研究。如栾巧丽[7]等以天然纤维羊毛为主材料，采用针刺及热熔粘合等方式制备了平均吸声系数在0.2以上的非织造吸声材料;洪杰[8]研究了不同比例的涤纶纤维与橡胶混合制成的复合吸声材料会造成吸声系数的变化;梁丽娟[9]等制备了多层经编间隔织物并发现经编间隔织物在中低频的吸声系数较海绵高。目前市场上所售的吸声纺织产品多为针刺毡、非织造布等，厚且硬的特性使其产生了一定的局限性;而薄型柔性的纺织吸声材料逐渐受到关注，在家用产品、室内设计、建筑、交通等领域皆可应用。 　　玄武岩纤维（basalt fiber，BF）来源自然，可自然降解和持续循环使用，具有吸声系数高、高强度、高模量、防火阻燃、耐紫外线光照等多种优良的特性且成本低，是一种新型的绿色高性能纤维[10-11]。但玄武岩纤维表面的刺痒性和较低的可纺可织性有碍其发展，因此选用有一定弹性的涤棉混纺纱包覆玄武岩纤维，可以改善其在纺纱织造过程中产生勾丝、易折断等情况。本文采用全聚赛络包芯技术包覆玄武岩纤维以提高其在纺纱中的质量，纺制9种涤棉/玄武岩（TC/BF）包芯纱并测试纱线基础性能，并选取3种不同线密度、固定捻系数的包芯纱制成6块薄型柔性的平纹及蜂巢组织机织物，以此探究不同材料、厚度、排列方式等因素对吸声效能的影响，为薄型柔性吸声机织材料在后续的研究中提供理论参考。
　　1 纱线及织物的制备
　　1.1 材料与设备
　　材料：芯丝采用16.5 tex/200 f的玄武岩纤维长丝、单根纤
　　维直径6 μm（浙江石金玄武岩纤维股份有限公司），外包纱采用定量为5.89 g/10 m的65/35涤棉混纺纱（无锡一棉纺织集团有限公司），涤纶（PET）13系列、丙纶（PP）14系列吸音织物（广州音谷声学建材有限公司），玄武岩平纹织物（浙江德清国泰耐火保温材料厂）。
　　设备：SU1510型扫描电子显微镜（日立高新技术公司），QFA1528型细纱机（无锡第七纺织机械有限公司），VHX-5000型超景深三维数码显微镜（基恩士有限公司）。
　　1.2 实验准备
　　图1（a）为玄武岩纤维在VHX-5000型超景深三维数码显微镜下200倍的纵向形态图，图1（b）为SU1510型扫描电子显微镜1 000倍下的扫描电镜图，可以看出玄武岩表面光滑呈圆柱形，集束性差。
　　纱线纺制采用江南大学自主研发的全聚赛络纺纱方法[12]，为QFA1528型细纱机加装了一系列组件如包芯纱装置、吸风系统、长丝退绕装置等，把原有罗拉改造为大直径窄槽式负压空心罗拉，对细纱机进行了整体优化，使其效率显著提高且纺纱质量更优。
　　经多次纺纱预实验，选择导丝轮位置、捻系数、粗纱中心距等工艺参数，在实验中发现导丝轮为左的位置可以让外包纱线很好地包覆芯丝。图3采用高速摄影仪分别拍摄了导丝轮位置左、中、右的图像，可以看出导丝轮位置为左时符合Z捻纱走向，芯丝先与左边的粗纱加捻，右边粗纱再包覆，导丝轮位置为左时包覆效果良好，无露丝现象，导丝轮处于中间及靠右侧时，芯纱并不能稳定处于被两股外包纱先后包覆的状态，有时会处于外包纱合股后包覆芯纱的状态，导致包覆效果较差。图4采用VHX-5000型超景深三维数码显微镜拍摄了不同导丝轮位置纺制的纱线纵向形态，随机选取10 m纱线进行纵向形态观察并采集重复度最高的图像，可看出位置为左时包覆效果良好;位于中间或右侧时并未完全包覆且形成麻花纱形态，露丝现象严重。
　　2 实 验
　　2.1 纺纱实验方案
　　在QFA1528型全聚纺细纱机上分别纺制不同线密度的TC/BF 1（28.5 tex/16.5 tex）涤棉/玄武岩编号为TC/BF 1-1、
　　TC/BF 1-2、TC/BF 1-3，TC/BF 2（33.5 tex/16.5 tex）涤棉/玄武岩编号为TC/BF 2-1、TC/BF 2-2、TC/BF 2-3，TC/BF 3（38.5 tex/16.5 tex）涤棉/玄武岩编号为TC/BF 3-1、TC/BF 3-2、TC/BF 3-3共9种包芯纱，如表1所示。
　　2.2 织物实验设计
　　从上述9种包芯纱中选择3种不同线密度、捻系数为270的TC/BF 1-2、TC/BF 2-2、TC/BF 3-2纱线作为纬纱，使用Y208W型半自动小样织机织造平纹和蜂巢各3块织物。依据GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》，采用YG141D织物厚度仪测量织物厚度，织物基本参数如表2所示。1#～6#为自主纺制的TC/BF织物，1#、4#为28.5 tex/16.5 tex纱线织造的织物，2#、5#为33.5 tex/16.5 tex纱线织造的织物，3#、6#为38.5 tex/16.5 tex纱线织造的织物，因纺制的纱线捻度稍低，未经定型处理，所以经纱采用35 tex涤棉纱线，纬纱采用TC/BF纱线;7#、8#为涤纶（PET）13系列、丙纶（PP）14系列吸音织物，9#为玄武岩平纹织物，10#为35 tex涤棉纱线织造的平纹机织物。
　　2.3 纱线及织物性能测试
　　2.3.1 纱线性能测试
　　依据GB/T 6529《调湿和试验用标准大气》，温度（20±3） ℃，相对湿度65%±5%，将试样置于空气中24 h。
　　依据GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定》标准，使用YG086C全自动单纱强力仪测试纱线力学性能。选用上下夹头夹持距离50 cm，预加张力0.5 cN/tex，下降速度50 cm/min，每种纱线测试10次取平均值。
　　依据GB/T 3292.1—2008《纺织品 纱线条干不匀试验方法第1部分：电容法》，使用YG133B/Pro-H條干均匀度测试仪测试纱线条干均匀度。设定速度200 m/min，试样长度100 m，每种纱线测试5次取平均值。
　　依据FZ/T 01086—2000《纺织品 纱线毛羽测定方法投影计数法》，使用YG173A型纱线毛羽测试仪测试涤棉/玄武岩包芯纱线的毛羽指标。设定预加张力0.5 cN/tex，片段长度50 m，测试5次取平均值。
　　2.3.2 织物吸声性能测试
　　依据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》及ISO 10534-2—1998《声学阻抗管中吸声系数和比阻抗率的测量第2部分：传递函数法》，使用阻抗管测试系统，如图5所示。将VA-Lab IMP软件模块3装在测试电脑上，连接MC3242四通道数据采集仪2，再与PA50功率放大器1连接，SW422型管件测试频率范围为63～1 800 Hz，SW477型管件测试范围为800～6 300 Hz。实验中分别使用MPA416传声器4连接两个管件来测试材料低中高频的吸声系数，双传声器的阻抗管可通过改变传声器的位置以测量出整个测试频段的吸声系数和声阻抗率。 　　3 结果与分析
　　3.1 纱线性能指标及分析
　　纺制出9种涤棉/玄武岩包芯纱线，其性能数据如表3所示。
　　由表3可知，TC/BF包芯纱线性能优良，不同线密度对断裂强度有明显影响，其中TC/BF 1（28.5 tex/16.5 tex）纱线的断裂强度最高，TC/BF 2（33.5 tex/16.5 tex）次之，这是因为较细纱线所含TC纱含量较TC/BF 3（38.5 tex/16.5 tex）纱线低，玄武岩纤维占比大导致断裂强度高;断裂伸长无显著增加，所纺纱线钩接强度率较纯玄武岩长丝高，纱线的粗细对钩接强度率有明显影响，这是由于外包纱钩接强度高，随着外包纱含量增加，其包芯纱整体钩接强度率也有所改善，类似玄武岩这种高弹性模量的纱线，若其抗弯刚度和断裂伸长率大，则钩接强度率高。纱线线密度为28.5 tex/16.5 tex的TC/BF 1中大于3 mm的毛羽根数相近;其他两种TC/BF 2（33.5 tex/16.5 tex）、TC/BF 3（38.5 tex/16.5 tex）的3 mm毛羽根数差距较小，但随着线密度的增加，毛羽数目也变大，呈递增模式;说明相同线密度时产生的纱线毛羽根数受不同的纺纱工艺参数影响小，毛羽根数随纱线线密度的增加而变多。从上述数据中可以得出不同线密度、不同工艺参数纺出的纱线条干均匀度相差不大，玄武岩包芯纱的条干均匀度良好。
　　3.2 织物吸声性能指标及分析
　　3.2.1 织物材料对吸声性能影响
　　选择TC/BF（1#～3#各叠加6层）、BF（9#叠加3层）、TC（10#叠加6层）、PET（7#叠加6层）、PP（8#叠加2层）织物，在厚度3 mm、组织为平纹、排列方式为相同材料叠加的情况下进行吸声性能测试，实验结果如图6所示。
　　由图6可知，包芯玄武岩织物的总体吸声性能优于其他织物，由图6（a）可看出包芯纱吸声曲线趋势随线密度变大而降低，这是因为线密度为28.5 tex/16.5 tex的TC/BF 1较另外2种线密度的包芯纱线中所含的玄武岩纤维占比高，所以TC/BF 1的高频吸声系数可达0.7以上，吸声性能优异;TC织物在中频的吸声系数优于BF织物，但高频的吸声系数虽在0.2以上却呈下降趋势，吸声效果差。因为BF平纹织物的总紧度为65.73%，织物紧度偏低、结构松散、空隙较大，声波在织物内部传递时间短，所以在低频的吸声效果不理想。TC/BF织物因其纱线表面粗糙，经纬纱间结合紧密，形成的空隙小，声波在织物中传递时空气与纱线的摩擦、空气的粘滞阻力及热传导作用所损失的能量更多，吸收的噪声更多，同时因TC/BF纱线的捻度较低，纱线结构松散，形成的织物内部拥有更多的细小空隙，所以中高频域的吸声系数可达0.5以上。
　　3.2.2 厚度对织物吸声性能影响
　　为探究厚度对玄武岩包芯织物吸声性能的影响，选取1#平纹织物的1层、4层及6层在厚度0.5、2.0、3.0 mm的吸声对比实验，与4#蜂巢织物的1层、2层及3层织物在厚度1.5、3.0、4.5 mm的吸声对比实验，实验结果如图7、图8所示。
　　由图7、图8可看出，平纹及蜂巢织物的吸声系数随厚度增加，整体吸声曲线表现出递增趋势。这是由于随着织物厚度增加，声波在织物中停留的时间延长，声波与空气及纱线的摩擦几率增加，更多声波能量被转换成热量而消耗，吸声效果显著增高。但在相同厚度3 mm条件下，蜂巢组织的高频吸声系数低于平纹组织织物，这是由于高频的声波较短，而蜂巢组织相较于平纹组织有着更多的孔隙与不规则空隙，声波在传播过程中更易反射到空气中，能量损耗较低，从而造成吸声效果下降。从图7可以看出，平纹织物厚度升至2 mm时中高频吸声系数明显增加，图8中蜂巢织物厚度增至3 mm时吸声频谱曲线也显著上升，说明厚度的增加的确对吸声系數有明显影响。但平纹织物厚度增加到3 mm时中低频的吸声效果有所下降，这是因为平纹织物质地紧实，在厚度增加的同时也降低了透气性，更多的经纬交织点叠加造成织物贯通性的气孔减少，增大了空气流阻，导致中低频吸声性能下降。
　　3.2.3 排列方式对织物吸声性能影响
　　通过上述针对不同材料及厚度对吸声性能的研究，发现在相同厚度情况下TC/BF材料吸声性能最好，但随着厚度的增加，织物材料空气流阻增大造成吸声系数下降。因此，选择平纹织物与蜂巢织物叠层的方式，在提升厚度的同时保持一定的织物空气流阻，以此提升织物的吸声性能。选取1#平纹织物与4#蜂巢织物叠加并重复3次，共6层，以平纹织物为测试面并且编号为A-1，将蜂巢织物作为测试面的编号为A-2;另外选择3#平纹织物3层叠加6#蜂巢织物3层，共6层，以平纹织物为测试面的编号为B-1，以蜂巢织物为测试面的编号为B-2。图9为两种组织按1∶1比例叠加3层及3∶3比例叠加1层的吸声频谱对比示意，图10为平纹/蜂巢组织织物复合示意。
　　由图9可以发现，以蜂巢织物为测试面时较平纹织物为测试面时的吸声系数稍高，因为蜂巢织物结构疏松多孔，声波更易进入到织物内部且平纹与其形成不同的梯度结构，使声波不易扩散到空气中，从而使声波转化为更多的热能而损失。按1∶1复合的织物A-1、A-2在高频的吸声系数可达0.7以上，并且中低频平均吸声系数也能达到0.2以上，吸声效果理想;按3∶3复合的包芯材料在中高频吸声系数达到0.5以上，但在中低频的吸声系数较1∶1比例叠加的包芯复合织物低。通过1∶1将两种织物复合的方式较按3∶3复合的B-1、B-2织物的吸声曲线上升明显，这是因为平纹织物质地紧实，间隙密而小，蜂巢织物间隙较大，形成了不同梯度的多孔结构，在织物内部形成了更多贯穿性的透孔，形成如图10（a）所示的结构，显著提升了包芯玄武岩织物在相同厚度下的吸声性能。
　　4 结 论
　　对不同纱线材料、不同组织结构织物的吸声性能进行多角度分析，探究影响织物吸声性能的主要因素，并根据研究结果分析吸声效果最优的织物组成方式。 　　1）涤棉/玄武岩包芯纱在不同工艺参数下纺制的包覆效果皆良好，质量较稳定，采用的全聚赛络纺纱方式适宜纺制玄武岩包芯纱，对其条干、毛羽等指标有较好的优化效果。
　　2）织物的材料、厚度及排列方式等对吸声性能有一定影响，尤其织物厚度对吸声效果有显著影响。相同厚度时蜂巢织物的总体吸声效果不如平纹织物，在一定范围内平纹织物的吸声性能随厚度的增加而增加;但当平纹织物厚度增至3 mm时，厚度对高频吸声效果的增强作用不明显，且低中频的吸声系数稍有下降，这是由于随着厚度增加，织物空气流阻过大，从而影响了包芯材料的吸声性能。
　　3）为降低因织物厚度增加而造成空气流阻过大对织物吸声性能的影响，选择将平纹与蜂巢织物交替复合3层，其高频吸声系数达到0.7以上，且中低频的平均吸声系数也在0.2以上。由此可见空气流阻及织物厚度对吸声效果有较大影响，所以保证空气流阻在一定范围的情况下，增加织物厚度可明显提高吸声性能。
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