熔喷非织造材料吸声性能研究.doc

学校代码:学 号:东华大学硕士学位论文熔喷非织造材料吸声性能的研究正学科专业:纺织工程指导教师:晏雄学生姓名:班无用完成日期:年 月删 删 四四 舢 删 四 舢东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明:恪守学术道德,崇尚严谨学风。所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写,对所写的内容负责,并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:多丑缸冈日期:刀乡年/日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口,在?年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密学位论文作者签名: 指导教师签名:多缸氟日期:础眵年月/钿日期:纱肜年尾心眉东华大学硕:二生毕业论文 摘要熔喷非织造材料吸声性能的研究摘要非织造材料具有天然的三维网状结构以及多孔性、柔软性及弹性等特点,这些特点赋予非织造材料良好的吸声性能,而且非织造材料的生产流程短、效率高,所以它们在吸声降噪领域有着越来越广泛的应用。与传统生产工艺相比,熔喷工艺是一种新型但有发展潜力的非织造技术。熔喷非织造材料具有优良的吸声降噪性能、轻便的结构、生产流程短等优点,特别符合当今时代对吸声材料质轻而降噪能力强的要求,因此,必将蓬勃发展,受到越来越广发的应用。本课题主要以丙纶熔喷非织造材料为研究对象,在深入分析熔喷非织造工艺及其产品特点的基础上,结合国内、外现有的对非织造材料吸声性能影响因素的研究,尝试从生产工艺和结构两个方面来对熔喷非织造材料的吸声性能进行改进。首先,针对熔喷生产过程中,相邻纤维之间发生的并丝现象,采用在切片中添加成核催化剂的方式,加快熔体的结晶速度,降低并丝现象的发生,并分析成核剂的种类和含量对丙纶熔喷非织造材料吸声性能的影响;然后,根据丙纶熔喷非织造材料的结构特点,测试并分析三维卷曲中空涤纶纤维对丙纶熔喷非织造材料结构和吸声性能的影响,进而找出最优的配比;最后,探讨了不同熔喷非织造材料的组合结构及其组合材料的变化对吸声性能的影响,最终得到具有良好吸声性能的熔喷非织造复合材料。关键词:熔喷非织造材料;吸声性能;成核剂;中空涤纶短纤;组合结构东华人学硕:生毕业论文,? ?.,. . .,? ., ,.,.? ?. .? . .? . 。, ., .,? .? . . .? . , .?. .东人学硕十生毕业论文 : .:.; : ;目录东华火学硕士生毕业论文目 录摘要?.第一章绪论?.研究背景?.声学基本理论?.吸声机理?.。非织造材料.吸声性能表征和测试方法.本课题研究的意义与内容.第二章影响非织造材料吸声性能的因素及其研究现状?.厚度的影响.面密度的影响?.纤维细度的影响?.孔隙率的影响?.异形截面的影响?.本章小结?.第三章熔喷工艺与样品结构性能测试一.熔喷工艺?.样品测试?.本章小结?第四章成核剂对丙纶熔喷非织造材料的影响.成核催化剂简介?。成核剂对丙纶熔喷生产工艺的的影响?.成核剂对丙纶熔喷非织造材料结构参数的影响.成核催化剂对丙纶熔喷非织造材料吸声性能的影响?.本章小结?第五章中空涤纶对吸声性能的影响?.中空涤纶简介.中空涤纶的混入?.中空涤纶对丙纶熔喷非织造材料的吸声性能的影响?.本章小结.第六章材料的组合结构对吸声性能的影响?.样品制备?.材料的组合结构对吸声性能的影响.本章小结?第七章结论与展望?目录东华大学硕士生毕业论文.结论.展望参考文献.攻读硕士学位期间主要的学术成果?.致谢?.第一章绪论东华大学硕:生毕业论文第一章绪论.研究背景随着经济建设的发展、城市噪声越来越严重,噪声问题已受到人们普遍的关注?。减少噪声干扰,创造优美的声环境是当今社会关注的个重要方面。一直以来,研究者不断在努力开发具有更好吸声降噪效果的新型材料,应用各种纤维或织物制成结构材料被证实是有效提高材料吸声降噪性能的途径之一。其中非织造材料作为一种多孔隙纤网织物,由于其具有多孔性、柔软性及弹性,因此非常适合作吸声材料。同时这种材料的加工成型性好,便于与其他结构复合等幢引,现在已经广泛应用在汽车、建筑等工业和生活各个领域。而且非织造材料具有工艺流程短、生产效率高,机械化程度高等特点,且随着科学技术进步,可以生产出更多风格、更多性能和更多结构类型的非织造吸声材料。然而,目前国内市场上的非织造吸声材料普遍存在吸声性能不高、低频吸声性能表现较差和性能不稳定等问题,所以研究如何提高非织造材料的吸声性能,尤其是其低频吸声性能,具有良好的现实意义。.声学基本理论人生活在个有声的世界里,在自然界中人耳能感觉到的声音的频率范围只是在?之间,这个频率范围的声音被称为可听声。噪音也是可听声,但是噪声是多种频率随机组合的可听声,往往会令人感到不愉快,甚至会损害人的身心健康。这也是人们孜孜不倦地研究控制噪音的原因之一。声音来源于物体的振动,而振动在介质中的以声波的形式传播,而产生声波的振动源就是声源。声音以声波的形式传播。声波包括声速、波长九、和频率三个重要的物理参数。声速是声波每秒钟在介质中传播的距离。波长是声波在介质中传播一个完整周期的距离。频率是介质粒子振动的频繁程度,它的单位是,表示每秒时间内完成的周期数。频率是研究吸声降噪材料时,最常用的参数。声波可以通过固体或者液体、气体传播。根据声音传播介质的不同,可分为空气声、水声和固体声。本课题的噪声控制主要讨论的是空气声。声音不是物体,没有质量;声音是一种纵波,它有能量;波是声能的传递形式,它在传播中会被不断地衰减。一方面是因为声音在传播过程中,声能被分散;另一方面是由于传播介质的内摩擦、粘滞性、导热性等特性使声波不断被介质被吸收转化为其他形式的能量五。这就为人们消除噪音提供可能,也就是人们制作吸声降噪材料的主要理论基础。第一章绪论东华大学硕士生毕业论文.吸声机理.共振吸声共振吸声应用最为广泛的是一种亥姆霍兹共鸣器式结构【】。当声波垂直入射到材料表面时,材料内及周围的空气随声波一起来回振动,相当于一个活塞,它反抗体积速度的变化是个惯性量。材料与壁面间的空气层相当于个弹簧,它可以起到阻止声压变化的作用。不同频率的声波入射时,这种共振系统会产生不同的响应。当入射声波的频率接近系统的固有频率时,系统内空气的振动很强烈,声能大量损耗,即声吸收最大。相反,当入射声波的频率远离系统固有的共振频率时,系统内空气的振动很弱,因此吸声的作用很小。可见,这种共振吸声结构的吸声系数随频率而变化,最高吸声作用出现在系统的共振频率处,即共振吸声材料和结构的吸声特性呈现峰值吸声的现象。.多孔吸声多空吸声材料内部具有无数细微孔隙,孔隙间彼此贯通,孔隙分布材料内部且通过表面与外界相通,当声波入射到材料表面时,一部分在材料表面反射掉,另一部分则透入到材料内部向前传播。声波在材料内部传播过程中,引起孔隙中的空气运动。由惠更斯原理可知,声波在引起空气振动时会产生能量消耗。振动的空气又与形成孔壁的固体筋络发生摩擦,由于粘滞性和热传导效应,将相当一部分声能转变为热能而耗散掉。同时,小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失也使声能衰减。此外,声波在钢性壁面反射后,经过材料回到其表面时,一部分声波透射到空气中,一部分又反射回材料内部。声波通过这种反复传播,使能量不断转换耗散,如此反复,从而使声能衰减,达到吸声的目的。.非织造材料.非织造材料的简介通过摩擦、非织造材料又称非织造布、不织布、无纺布,是定向或随机排列的纤维,抱合、或粘合,或者这些方法的组合而相互结合制成的片状物、纤网或絮垫, 不包括纸、机织物、针织物、簇绒织物以及湿法缩绒的毡制品【。非织造工艺过程为:纤维/原料的选择;成网;纤网加固成型;后整理。其中关键技术为纤维成网和纤网加固技术,成网方式主要有干法、湿法和聚合物挤压成网三大类,加固技术可分为三大类:机械加固、化学粘合和热粘合工艺。其工艺技术特点主要有:多学科交叉、工艺流程短、生产效率高,机械化程度高、生产速度快、产量高、原材料范围广、工艺变化多、产品用途广等。且随着科学技术进步,可以生产出更多风格、更多性能和更多结构类型的材料,由于外观、结构和性能的多样性,使得非织造材料的应用范围更广。非织造材料的结构非常适合利用于多孔性吸声材料,特别是针刺非织造材料,其产品通透性好、过滤性能优、机械性能优、产品厚度大等特点,最适宜用作吸声材料博。身;一蕈绪论东华大学硕:生毕业论文.非织造吸声材料的研究发展吸声材料则是吸声技术的重要物质条件【。早期应用于吸声材料的纤维主要是动植物纤维及其制品,如棉、麻纤维、甘蔗纤维、木质纤维、毛毡等。这类纤维材料对中、高频范围内的声波具有良好的吸收性能。随着无机纤维的问世,吸声材料常常采用以下纤维,如玻璃纤维、岩棉纤维、矿渣棉纤维等。由于这类无机纤维的某些特性优于早期天然纤维,】所以逐步地替代了天然动植物纤维的吸声材料,在声学工程中获得广泛的应用。汤道敏【通过测定吸声层在特定背衬条件下的声阻抗率和计算机辅助分析,给出了超细玻璃棉毡、矿渣棉毡、中级玻璃纤维板和岩棉软板等无机纤维吸声材料的声学基本常数。钟祥璋也对矿物棉的吸声特性和应用做了研究,提出容重在材料流阻大于时随着容重的提高会向低频扩展,在高频吸声性能降低。但是这类无机纤维吸声材料在处理时对人体皮肤以及。呼吸系统都会产生危害随着材料加工技术的进步,金属纤维被人们开发出来,人们开始应用这类纤维制作吸声材料。金属纤维具有阻燃、耐高温和高强度等特点,而且受水汽油污的影响小,抗恶劣环境能力强。因而具有广泛的应用范围。近年来,国外在汽车上已开始使用一种异形截面金属纤维的吸声材料,国内奥迪、桑塔纳汽车生产厂也开始采用该种材料作消声器芯的汽车消声器【】。张燕?】等人研究了不锈钢金属纤维的声学性能,从厚度、容重、背后空腔和含水量角度分析其吸声性能。测试结果表明:金属纤维的中高频吸声性能明显优于低频吸声性能,厚度对材料的中低频吸声系数影响较大,厚度越大,吸声频带越宽,平均吸声系数越大,从而吸声能力越强;提高材料的容重,对提高吸声效果是有利的;增大材料背后的空气层,相当于增加了材料的厚度,同时又可通过改变空气层厚度来调节最大吸声系数的频率值;金属纤维吸水后对其吸声能力影响不大。并提出了几种制造铝纤维板的方法。随后,合成高分子的出现拓展了纤维类吸声材料的研究领域,这类材料结构设计的多样性将会带来声学性能的可调,而其本身的特性如力学,热学性质等与声学性质相结合将极大地拓展该材料在建筑、交通、军事等诸多领域的应用】。最具代表性的合成聚合物纤维吸声材料是聚丙烯纤维和聚酯纤维。 、”】研究认为,纤维种类对纤维材料的吸声性能的影响很小,吸声性能主要受到厚度和容积影响。澳大利亚的发表的“聚酯纤维涤纶用于隔声吸声时的参数选择”研究报告中指出聚酯纤维在?频率范围内的吸声系数可达.,是较好的吸声材料,而且材料的】面密度,纤维的种类,卷曲度,针刺密度对材料的吸声性能都有影响。最先提出并进一步研制了一种运用于航空器内部贴敷用针刺非织造布吸声材料。他从吸声系数、孔隙透气率、加工工艺三个方面分析了针刺非织造布吸声材料的特性。认为材料的吸声效果主要从减轻重量和较少噪音两个方面来评价。实际上两者都降低并不现实,新型材料采用减轻重量同时保持吸声效果的原则。第一章绪论东华大学硕士生毕业论文.吸声性能表征和测试方法.吸声系数吸声系数是目前评价材料吸声性能好坏的主要指标之一。吸声系数定义为被材料吸收的声能与入射声能的比值【。五透射 能侧一 /图吸声原理示意图如图.所示,设入射到屏障上的总声能为,反射声能为,透射声能为,被材料消耗吸收的能量为,它们之间的关系为:?吸声是依靠材料对声音的吸收作用,减少声波反射,吸声材料的吸声性能通常用吸声系数来表示:臃一所.?/。卜 。. 。为反射系数。式.一般材料或结构的吸声系数在之间,值越大,表示吸声性能越好。理论上,如果某种材料完全反射声音,那么它的;如果某种材料将入射声能全部吸收,那么它的。事实上,所有材料的都介于和之间,也就是不可能全部反射,也不可能全部吸收。.吸声测试方法在对材料的吸声性能研究过程中,吸声性能测试是很重要的环节。现今,材料的吸声性能有两种测试方法:驻波管法和混响室法。笙:二翌堑丝查兰奎堂堡主竺望些笙茎.驻波管法驻波管的一段放置被测样品,从另一端向管内辐射平面波,声波以垂直入射的方式入射到材料表面,一部分被样品吸收,一部分反射,这种反射波与入射波在管中叠加产生驻波,形成驻波管长度方向声压极大值与极小值的交替分布。然后利用可移动的探管接收管中驻波声场的声压,即可通过测试仪器测出声压级极大值与极小值,从而计算出吸声系数。驻波管法设备简单,所需样品量少,在实验研究及工程中被广泛使用。利用阻抗管对材料的吸声性能进行测试包括驻波比法和传递函数法两种方法,其分别对应国家标准/.?和/.?。驻波比法是利用阻抗管中平面波形成的驻波波幅比值,确定试样的吸声系数。即当扬声器向阻抗管内辐射声波而形成驻波声场时,沿管轴方向出现声压极大与极小的交替分布,利用可移动的探管传声器接收到声压信号可计算由声压极大值与极小值的比值确定的材料垂直入射吸声系数。该方法测量精度较高,但它要求以纯音为测量信号,但要求手动移动滑块确定探管位置,测量步骤较为烦琐和费时。传递函数法与驻波比法一样,都采用阻抗管,只不过用两个固定在管壁的传声器取代了驻波比法的一个滑动测试的传声器,克服了滑动传声器的手动测量人为影响因素。宽带信号由信号发生器产生,然后采集声压信号经过傅里叶变换以获得传递函数,从而将入射波的能量与反射波的能量分离,计算不同频率对应的吸声系数。相较驻波比法而言,传递函数法可以同时进行宽频测试,且理论推导严密,测量速度快而精确。本文采用的即是阻抗管测试中的传递函数法,仪器为北京声望声电技术有限公司生产的阻抗管。.混晌室法声学测试所用的混响室是一个能在边界上全部反射声能,即其吸声系数为零,并在其中充分扩散,使行车各处能量密度均匀、在各传播方向作无规分布的扩散场实验室。声源在室内发声后,受到墙面的反射,室内声场逐渐增强;当生源停止发声,声音不会立即消失,要经历逐渐衰变的过程,称为混响过程。混响时间是指当室内声能达到稳态后,声源突然停止发声,衰减所需要的时间。混响时间长,声音丰满,混响时间短,声音干涩。混响室测量是指不同频率的声波以相同几率从各个角度入射到材料的表面,根据混响室内放进吸声材料与结构前后混响时间的变化来确定材料的吸声特性。国际标准左右,因而混响室法测量吸声材料样规定,混响室体积应大于,并最好在,品的大小没有尺寸的限制。混响室法的测试环境比驻波管法更接近于实际情况,适合声学设计工程上运用。但是混响室法在实际测试时,不同混响室对同一样品材料的测试结果差别很大,不具备可比性。而且测试环境要求严格,测试成本比较高。基于此,本课题选用驻波管法测试非织造材料的吸声性能。.本课题研究的意义与内容.本课题的研究意义首先,本课题所采用的丙纶纤维和涤纶纤维,原料来源丰富,在市东华大学硕士生毕业论文 第一章绪论场上具有广泛地应用。然后,所用的非织造吸声材料是利用熔喷工艺生产。熔喷非织造材料自身具有三维多孔结构特点,因而丙纶熔喷非织造材料具有良好的吸声功能。此外熔喷工艺生产工艺简单、周期短、无化学反应,对环境污染小,而且熔喷非织造材料易于制作复合材料,生产成本较低。熔喷非织造吸声材料具有广阔的市场前景和开发价值。最后,本文在充分了解丙纶熔喷非织造材料生产工艺和结构参数的基础上,分析丙纶熔喷非织造材料吸声性能的测试结果后,针对其吸声效果不理想的问题,通过简单易行的方法提高丙纶熔喷非织造材料的吸声性能,并设计出可行的生产工艺。.本课题的研究内容通过阅读、分析大量的相关文献,将影响非织造吸声材料的纤维形态、纤维尺寸、材料厚度、孔隙率等参数进行详细的归纳总结,并结合吸声机理对每种因素进行分析,为后续深入研究奠定基础;本课题主要研究的是丙纶熔喷非织造材料的吸声性能。因此首先分析丙纶熔喷非织造材料的纤网特点,针对其生产过程中的并丝现象,提出用添加成核催化剂的方式,加快丙纶纤维的成形过程,增加纤维的刚性,从而减少纤维之间并丝现象的发生,进而测试、分析其吸声性能的变化;其次分析丙纶熔喷非织造材料的结构特点,结合影响非织造材料吸声性能的因素,对丙纶熔喷非织造材料的结构进行改进。尝试在丙纶纤维中混入三维卷曲中空涤纶,然后测试并分析三维卷曲中空涤纶对丙纶熔喷非织造材料形态结构及其吸声性能的影响:最后,将熔喷非织造材料制成具有梯度变化的组合结构,研究组合方式和组合材料的变化对吸声性能的影响,从而得到吸声性能良好的熔喷非织造符合材料。东华人学硕士生毕业论文 第二章影响非织造材料吸声性能的因素及其研究现状第二章影响非织造材料吸声性厶匕因素及其研究现状.厚度的影响非织造吸声材料作为多空材料,其吸声功能主要是靠声波在材料中传播实现的。材料越厚,声波在材料中传播的时间越长,声波和材料之间的相互作用时间才更长,声能衰减的也越多。因此,材料的厚度对其吸声性能有很大的影响。苏文、李新禹等人【以涤纶非织造材料为对象,研究厚度和容重对非织造材料吸声性能的影响。在研究中发现,增加非织造材料的厚度时,吸声频率特性曲线向低频方向移动,中低频的吸声系数得到提高:但当材料的厚度达到一定值之后,厚度对高频段的吸声效果影响就很小,不论怎么增加材料的厚度,材料在高频升段的吸声能力都不会再提高。由此可知,增加材料的厚度有利于增加材料对中低频率声波的吸收。.面密度的影响从非织造材料的结构角度说,密度对材料的吸声性能影响比较复杂。一定厚度的吸声材料,当其面密度增加时,材料的孔隙率减小,材料的流阻增大,材料的结构参数也会受到相应的影响。徐凡【等在研究大麻纤维的吸声性能时,发现在厚度相同的条件下,增加麻纤维絮片的密度,开始时其吸声系数增加比较明显,随后增幅趋缓。这是因为同一种纤维材料,随着面密度的增加,材料单位体积内纤维的含量也增加,这样声波在材料中传播时与纤维的接触机会随之增加,声阻抗相应提高,声能消耗增加,材料的吸声性能就会提高。所以,面密度对材料的吸声性能具有很大的影响。此外,当厚度不变时,面密度关系到生产非织造布多用的纤维量,即生产成本,因此,了解面密度与吸声效果之间的关系具有重要的实际意义。.纤维细度的影响材料内部的细微甬道对材料吸声性能起决定作用,而这些甬道是由纤维之间的排列与缠结组成。因此,纤维的直径影响者孔隙的数量和大小,从而影响材料的吸声性能。和.通过测试了不同细度纤维制作的非织造材料的吸声性能后,发现细度较小纤维组成的非织造材料吸声性能较好。刘杰等】等研究涤纶针刺非织造材料的中低频吸声性能时,也发现纤维细度越小,材料的中低频吸声性能越好,而且,其吸声系数的差距均随着声波频率的增大而增大。据此可以认为,其他条件相同时,纤维越细,则材料的吸声性能越好。因为其他条件相同时,纤维越细,单位重量内纤维的根数就越多,东华大学硕士生毕业论文第二章影响非织造材料吸声性能的因素及其研究现状纤维与纤维之间就会有更多的微孔,材料的比表面积增大,声波与材料的接触比表面积也越大,从而会有更多的声能转换为热能而耗散掉。.孔隙率的影响非织造材料内部充满了相互连通、开放的孔隙,因此孔隙率是决定非织造材料的物理、力学性能的关键参数,而且与其流阻、结构因子、密度等因素有直接的关系,所以孔隙率是非织造材料的最重要的特征。对于吸声材料来讲,应该有较大的孔隙率,一般应该在%以上。研究认为,孔隙率升高时,材料内部甬道的结构更加复杂,声波进入材料后产生漫反射或折射增加,由裂缝及微孔引起的摩擦和空气粘滞消耗也会加剧,从而出现整体吸声性能提高的现象。当然孔隙率也不是越高越好。当孔隙率过大时,材料过于稀疏,声波进入后不容易发生二次或多次反射,极有可能发生透射,此时空隙间空气没有充分的摩擦,不会大量损耗声能,这导致吸声性能变差;反之,当孔隙率过小时,材料过于密实,声波不易进入材料内部,会导致吸声性能的下降。异形截面的影响异形截面纤维是性对于圆形截面纤维而言的。它是用特殊几何形状的喷丝板孔挤压出来的,使截面呈一定几何形状的纤维。目前生产的异性截面纤维主要有三角形、三叶形、十字形,形、中空形等。刘玉杰等【为比较纤维的截面、细度等对非织造材料吸声性能的影响,选择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吸声材料。经测试发现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,而且它们吸声系数之间的差距均随着频率的增大而增大。这可能是由于异形截面具有更大的比表面积,可以组成更多的微小孔隙,所以异形截面纤维会增加非织造材料的孔隙量。从而使得声波在材料中传播时,与空气和材料的作用量增加,声能衰减的更厉害。其次,由于异形截面形状的不规整性,导致空隙的形态更加多样,导致声波的漫反射加重,声波的传播过程变长,从而提高材料的吸声性能。.本章小结本章主要分析、总结了材料的厚度、面密度、纤维细度、材料孔隙率和异形截面纤维对非织造材料的影响,为后续深入研究奠定了基础。东华大学硕士生毕业论文 第三章熔喷工艺与样品结构性能测试第三章熔喷工艺与样品结构眭能测试.熔喷工艺.熔喷非织造技术熔喷法工艺是将聚合物从喷丝孔挤出,然后经热空气拉伸成超细纤维的技术,是非织造工艺中的一种,起源于世纪年代初期。在年,由】开创的美国海军研究所为了收集核试验产生的放射性颗粒,开始研制具有超细过滤效果的过滤材料,通过气流喷射纺丝法,纺得极细的纤维,制得由这种超细纤维组成的非织造布。熔喷纤维细度较小,通常小于,大多数纤维的细度在“。现在,熔喷非织造材料的全球市场正以每年%的速度增长【引。.熔喷工艺原理熔喷法是一种从聚合物切片到纤维长丝一步成形的非织造工艺。在熔喷法非织造布的生产过程中,先将聚合物切片通过螺杆挤出机挤压加热使其熔融,通过计量泵精确计量送入喷丝板。在熔体自身的压力下,熔体由喷丝孔喷出。同时,受到喷丝孔两侧与熔体喷出方向呈一定角度的高压热气流的喷吹,在高压热气流的喷射拉伸作用下细化成微细纤维,并以极高的速率飞向成网帘形成纤网。这些微细纤维被粘附在成网帘上后,同时受到来自外侧冷却空气的冷却固化,靠喷丝后聚合物的余热及牵伸热空气使纤维热熔粘合,而相互粘结在一起成为熔喷法非织造布【引。图为熔喷工艺示意图。本文选用的是丙纶,即聚丙烯切片为原料,生产的半透明丙纶熔喷非织造材料。图.是丙纶熔喷非织造纤网在点镜下的观测图。第三章熔喷二艺与样品结构性能测试东华人学硕:生毕业论义.螺杆挤出机;.计量泵;.喷头;.空压管:.卷绕接收装置;.粘合装置;.卷绕装置图熔喷工艺的示意图图丙纶熔喷非织造纤网在电镜下的观测图.熔喷工艺流程及设备熔喷非织造工艺流程为:空压机或风机斗空气加热器?气体分配装置聚合物原料准备螺杆挤出机熔融挤压?过滤装置计量泵熔喷模头组合件熔体细流拉伸冷却接受装置卷绕装置熔喷法主要包括以下几个过程:熔体准备本课题使用的是丙纶切片通常不需要干燥。而是用聚酷、聚酞胺等切片原料时,必须对切片进行干燥预结晶。熔喷工艺主要采用螺杆挤出机对聚合物切片进行熔融并压送东华大学硕生毕业论义 第三章熔喷工艺与样品结构性能测试熔体。过滤熔喷工艺中,聚合物熔体进入喷丝模头之前应经过过滤,以滤去杂质和聚合反应后残留的催化剂,以防止堵塞喷丝孔。常用过滤介质为多层细目金属筛网等。并需要视切片情况定期更换筛网。计量熔喷工艺中采用齿轮计量泵进行熔体计量,高聚物熔体经准确计量后送至熔喷模头,以确保熔体流压力的稳定性,精确控制纤维细度和熔喷法非织造布的均匀度。熔体从喷丝孔挤出熔体被输送至模头后,经过特殊设计的流道被均匀分散至各个喷丝孔,并经喷丝孔喷出。熔喷工艺与传统纺丝具有相似原理,聚合物熔体从模头喷丝孔挤出的历程可分为入口区、孔流区和膨化区。熔体细流牵伸与冷却熔喷工艺中,从模头喷丝孔挤出的熔体细流发生膨化胀大的同时,受到两侧高速热空气流的牵伸,处于粘流态的熔体细流被迅速拉细,同时,两侧的室温空气掺入牵伸热空气流,使熔体细流冷却固化成形,形成超细纤维。成网熔喷工艺中,经牵伸和冷却固化的超细纤维在牵伸气流的作用下,吹向凝网帘或滚筒,有的凝网帘下部或滚筒内部还设有真空抽吸装置,由此纤维收集在凝网帘或滚筒上,依靠自身热粘合或其他加固方法成为熔喷法非织造布。模头喷丝孔出口处到接收帘网或滚筒的距离称为熔喷接收距离。.样品测试熔喷非织造材料的吸声性能受许多物理量的影响。这些物理量包括材料的厚度、面密度、孑隙率和熔喷纤维平均直径等。.厚度测试非织造材料厚度测试采用南通宏大 型织物厚度仪,依据国家标准/.,采用压脚面积为, 加压,每块样品澳试次。.面密度测试采用面密度测试标准/ .非织造布面密度的测试。试样取为时的正方形五块,测试前在标准大气条件下调湿小时,采用上海精天电子仪器有限公司生产的电子天平测试样品重量,再计算每块试样的单位面积质量。.熔喷纤维直径的测试本课题的是采用宁波纺织仪器厂生产的纤维检测系统测试熔喷非织造材料纤维直径的。纤维检测系统是全新一代纤维检测设备,该系统有计算机、摄影机、显微镜、检测软件组成。该系统采用先进的计算机数字图像信号处理技术,操作人员可以东华人学硕上生毕业论文 第三章熔喷工艺与样品结构性能测试在计算机屏幕上观察纤维的形态,并精确、快捷地完成纤维的检测工作。图是纤维检测系统示意图。图 纤维检测系统.孑隙率计算非织造材料的孔隙率定义为材料的空隙体积与总体积的比值,其值可由公式计算得到。计算公式为:/ 、.玎: 一坠%/式.中,?孔隙率%;?纤维密度/?材料厚度。?面密度/;.透气性测试样品的透气性能使用南通宏大集团制造的型数字式织物透气量仪测定,测,测试面积为 ;试过程符合/ ?标准。样品两端压力差设置为喷嘴直径是在测试过程中根据样品的透气性能进行选择,透气性能越好的样品需要匹配的喷嘴越大,透气性能差的样品则匹配小的喷嘴。.吸声测试本课题选用北京声望声电技术有限公司自主研发的最新一代“材料吸声/隔声测试系统”作为测试仪器如图.所示,对吸声材料进行吸声性能测试。是用于测量材料的吸声系数的设备,其硬件基于阻抗管设计,软件基于传递函数的双传声法设计,?: 。吸声系数测量符合标准/.?及分辨率采用/倍频程,在相同声源和相同接收系统下,测试材料的吸声性能。每种材料制备个试件,取其平均值作为最终的吸声系数【。第三章熔喷工艺与样品结构性能测试东华大学硕士生毕业论文图 声学测试仪.本章小结本章首先阐述了熔喷工艺原理,然后详细地分析了本课题所使用的熔喷非织造材料各种形态参数及其吸声性能的测试方法,为后续研究工作奠定了基础。东华大学硕十二生毕业论文 第章成核剂对丙纶熔喷非织造材:影响第四章成核剂对丙纶熔喷非织造材料的影响在丙纶切片中加入成核剂,能够加快结晶速度,使分子链在较高温度下具有很快的结晶速度,所得到的丙纶纤维的结晶度提高,刚性增强。这种丙纶纤维组成的非织造材料具有很好的蓬松性,具有不同的形态参数,从而对材料的吸声性能产生影响。基于此本章研究成核剂的种类和含量对丙纶熔喷非织造材料结构和吸声性能的影响。.成核催化剂简介.成核剂的概念在聚合物成型加工过程中,结晶现象普遍存在,尤其是对分子链比较规整的聚合物,如聚乙烯、聚丙烯、居对本二甲酸几二酯、聚甲醛等。高分子聚合物与小分子化合物的结晶行为有很大的不同。一方面,由于高分子聚合物的分子量大,分子链长,分子链间的相互作用大,导致高分子链的运动比小分子了困难,尤其是对刚性分子链或带有庞大侧基的、空间位阻大的分子链更是如此,所以高分子聚合物的结晶速率较慢;另一方面,由于刚性分子链结构和分子量的不均一性,以及在结晶过程中由于高分子链的运动松弛时间长,分子链的迁移速度慢,不易构成完整的晶体。由于聚合物材料结晶度的高低、结晶形态及结晶结构的差异都将影响到材料的性能极其应用,于是控制聚合物的结晶行为便成了提升材料性能及扩大其应用范围一种途径。人们发现,在聚合物材料中加入某些物质能提高树脂的结晶速率,使球晶尺寸变小,从而改善树脂的光学性能及力学性能,还可以缩短制品的。成形周期等,这些物质变称之为成核剂.成核剂的添加成核催化剂的添加有两种方法,即釜内添加法和釜外添加法川。釜内添加成核剂法可使成核剂充分分散并与丙纶切片混合均匀,可提高成核效率及制品的均匀性,但釜内添加成核剂的添加难度大并对聚合活性可能有干扰,目前仍停留在浆液法工艺水平,尚处在发展阶段。釜外添加成核剂自年就开始应用,但由于当时所用成核剂主要是无机盐和少数芳香酸盐,故相容性和成核效果差,在工业上应用不多。年代中期,成核剂山梨醇缩二苯甲醛的出现,使得釜外添加成核剂技术被用于工业化生产,从此这一技术在世界范围内得到普遍采用,并于年代初实现透明的商业化。目前釜外添加成核剂在全世界广为采用,现在市场上的产品大多数是采用山梨糖醇类成核剂,用釜外添加成核剂法来生产。本课题采用的是釜外添加法,即直接将成核催化剂直接放入丙纶切片之中,然后搅拌,直至两者之间混合均匀。釜外添加法对设备的要求较低,简单易行,容易操作,而且可以灵活变换成核剂的添加量和种类,比较适合没有切片生产企业使用。东华大学硕士生毕业论文 第四章成核剂对丙纶熔喷非织造材料的影响.成核剂对丙纶熔喷生产工艺的的影响丙纶纤维属于热塑性纤维,其内部有结晶部分,但结晶并不完整,存在很大的非结晶区域。丙纶受热以后,随着温度的提高,将相继出现玻璃态、高弹态和粘流态三种物理状态。这三种状态具有不同的力学性质。丙纶熔喷非织造材料的加工就是利用丙纶的热力学性质,即在不同的温度下,丙纶呈现不同的物理状态,其分子的柔性、聚集态结构发生变化。高温条件下,丙纶切片变成粘性的流体,经喷丝孔口挤压和高压速风的拉伸,呈纤维状,并随着温度的降低开始结晶,呈刚性固体状。然而,在熔喷生产过程中,纯净的丙纶在开始结晶时由于结晶开始点比较少,即使冷却也很少立即开始结晶,通常经过过冷却时才开始结晶化。此外,由于喷丝孔孔径较小且喷丝板上孔密度较大,各孔问间距非常小。因此,当丙纶熔体从喷丝孔口处挤出后,还没有完全结晶固化,相邻丙纶纤维之间可能会粘连在一起,从而发生并丝现象。如图.所示。大量并丝现象的发生,直接导致熔喷非织造材料纤维相对直径增大,以及大量纤维之间相互缠绕增加,纤维之间的粘合点增多,形成的熔喷非织造纤网的密实度提高,材料空隙小,且分布不匀,严重影响熔喷非织造材料的吸声性能。图纯丙纶熔喷非织造材料 图添加成核剂的丙纶熔喷非织造材料图.是添加成核催化剂后的丙纶熔喷非织造材料。由图.可以看出,添加成核催化剂后,熔喷形成的非织造材料各纤维之间的间隙相对较大,纤网空隙大,并丝现象明显改善。这是由于成核催化剂在丙纶的结晶过程中起晶核的作用,它在丙纶结晶过程中,能够加快结晶速度,作为异相晶核先于丙纶结晶,并形成均匀分散的网络,使原有的均相成核变成异相成核,从而加快了结晶速度,并且使晶粒结构细化,有利于缩短成形周期,提高产品的刚性,保证最终产品的尺寸稳定性【引。由于使用了成核剂,形成纤维的聚合物材料的固化速度非常迅速,降低了熔体从喷丝孔口处挤出后,由于纤维粘连而发生并丝现象的趋势。东华大学硕士生毕业论文第四章成核剂对丙纶熔喷非织造栩料的影响.成核剂对丙纶熔喷非织造材料结构参数的影响表混入不同量山梨醇系成核剂的丙纶熔喷非织造材料的结构参数表.是添加成核催化剂后的丙纶熔喷非织造材料的结构参数,其中“.%”是样品名称,“.%”代表混入丙纶切片中成核剂的量,“”代表混入的是山梨醇类成核催化剂,同理可以理解“.%”和“.%”的含义;其中“”代表纯丙纶切片生产的熔喷非织造材料样品。从表.可以看出,添加成核催化剂后,所得熔喷非织造材料的透气率和空隙率都比纯丙纶材料要高,样品“.%”和“.%”的纤维直径也增大许多。说明加入适量成核催化剂后,熔体从喷丝孔挤出后,由于过早地形成结晶、固化,受到的高压速风的拉伸时间短,导致纤维直径增大;同时结晶度的提高也使纤维刚性增大、韧性增强,所得的熔喷非织造材料的蓬松性好,透气性提高。.成核催化剂对丙纶熔喷非织造材料吸声性能的影响.不同成核剂对丙纶熔喷非织造材料吸声性能的影响丙纶成核催化剂可分为无机类和有机类两大类。无机类成核剂主要有滑石粉、氧化钙和碳酸钙等。这些是最早开发且价格便宜的成核剂,但是无机类成核剂和丙纶容易产生两相,缺乏亲和力,导致性能降低。所以本文选用了与丙纶相容性较好的有机类成核剂:山梨醇类和磷酸盐类成核剂。为了研究不同种类的成核剂及两种成核剂的复配对熔喷非织造材料吸声性能的影响,本文先将山梨醇和磷酸盐成核催化剂分别按照.%的比例与聚丙烯切片混合,生产出的丙纶熔喷非织造材料分别是样品“.%”和“.%”;然后再在聚丙烯切片中同时混入.%的山梨醇系成核剂和磷酸盐成核剂,成产出具有复配成核剂的丙纶熔喷非织造材料称为“.%。%”,最后分别对三个样品和纯熔喷非织造材料进行吸声性能测试,得到的吸声系数曲线如图.所示。第四章成核剂对纶熔喷非织造材利的影响东华大学硕二生毕业论文图? 混入不同种类成核剂的丙纶熔喷非织造材料的吸声系数曲线由图.可以看出,添加山梨醇系成核剂的丙纶熔喷非织造材料比纯丙纶熔喷非织造材料具有明显的提高,而添加磷酸亚类成核剂的丙纶熔喷非织造材料的吸声性能就比纯丙纶熔喷非织造材料的低。通过这个结果可以得出梨醇系成核剂有助于提高丙纶熔喷非织造材料的吸声性能,而磷酸盐类成核剂不能提高丙纶熔喷非织造材料的吸声性能。此外,同时添加.%山梨醇和.%磷酸盐类两种成核剂也有助于提高丙纶熔喷非织造材料的吸声性能,但其低频段的吸声效果不如混入.%山梨醇成核效果好。这说明在熔喷生产过程在山梨醇系成核剂可以更好地诱导丙纶结晶,增加丙纶纤维的刚性,其熔喷非织造材料的蓬松性更好,孔隙结构更优化,从而其吸声性能更好。.混入成核剂的含量对丙纶熔喷非织造材料对吸声性能的影响上节我们已经得出:山梨醇系成核剂有助于提高丙纶熔喷非织造材料的吸声性能,而且效果最好。下面我们就进一步研究山梨醇类成核催化剂的含量对丙纶熔喷非织造材料吸声性能的影响。将山梨醇系成核催化剂分别以.%、.%、.%的:二与聚丙烯切片混合,生产出来的丙纶熔喷非织造材料分别称为:“.%山”、“.%山”、“.%山”。对以上三个样品和纯熔喷非织造材料分别进行吸声性能测试,得到的吸声系数曲线如图?所示。.本章小结一一一本轴龇毗一 嘞玑倾嘲慨蝴嫩蝴毗觑蝴谳戢避瓣鼬 雄蝴蝌繇够的验飘蚍数晰蝴懒撇蝴 艴形盯捌绷充碱啊有东华大学硕士生毕业论文第四章成核剂对丙纶熔喷非织造材料的影响一个最佳值。东华人学硕:生毕业论文 第四章成核剂对丙纶熔喷非织造材料的影响第五章中空涤纶对吸声性能的而影响在生产纯丙纶熔喷非织造吸声材料时,我们发现所得的非织造材料的蓬松性差,缺少弹性、保型性差,这就会导致材料的孔隙结构不理想,吸声性能较差,而且性能不稳定。针对这个问题,我们将具有三维卷曲结构的中空涤纶短纤混入丙纶非织造材料之中,增加丙纶熔喷材料的蓬松性和保型性,并研究中空涤纶对丙纶熔喷非织造材料吸声性能的影响。.中空涤纶简介三维卷曲中空涤纶短纤具有永久的立体卷曲、优良的蓬松回弹性和重量轻的特点。中空纤维短纤维内部有连续的空腔,减小了纤维的质量,提高了织物的隔热保暖性。具有特殊意义的是,兼异性、中空、三维卷曲特征于一体的异形中空三维卷曲涤纶纤维,与圆孔纤维、异性纤维相比具有更多的优越性,用这种纤维制作织物,其蓬松性脚普通织物大%,并且耐磨性能比圆形纤维高倍。图.是三维卷曲中空涤纶短纤产品示意图。图中空涤纶纤维及其截面示意图本课题选择的中空涤纶是有仪征化纤厂生产的一孔涤纶短纤,产品规格为。该涤纶短纤的中空度为.%,体积重量:./,卷曲率:.%,卷曲弹性回复率:.。第五章中空涤纶对吸声性能的影响东人学硕。:生毕业论文.中空涤纶的混入将三维卷曲的中空涤纶打散,然后通过鼓风装置均匀吹入从熔喷机喷丝孔下来的丙纶纤维之中。鼓风装置位于丙纶纤维幕的一侧,如图.所示。口一模头喷丝孔鼓 置嗡蕊 装,。.至后通一:净燕稳四图添加中空涤纶短纤示意图将中空涤纶短纤以不同的比例吹入丙纶短纤之中,生产出来具有一定形态参数的丙纶熔喷非织造材料,如表.所示。表?混入中空涤纶短纤的丙纶熔喷非织造样品的形态参数.中空涤纶对丙纶熔喷非织造材料的吸声性能的影响通过仪器测试混入不同含量三围卷曲中空涤纶短纤的丙纶熔喷非织造材料的吸声性能,然后将其结果与纯丙纶熔喷非织造材料的吸声性能进行比较。它们的吸声系数曲线图如图.所示。东华人学硕:生毕业论文 第五章中空涤纶对吸声性能的影响图混入不同量的中空涤纶短纤的丙纶熔喷非织造材料的吸声系数曲线在图.的各个样品的吸声系数曲线中,混入三维卷曲中空涤纶短纤的丙纶熔喷非织造材料的吸声性能都比纯熔喷非织造材料的高。这是因为中空纤维外部的三维卷曲结构使得其非织造布材料的蓬松性好,材料内部的微孔和孔隙增加,同时内部微孔的迂曲度增加,这大大延长了声波在材料内部反复反射的时间,即增加了声波穿过材料的空气流阻;另外,中空涤纶短纤内部具有轴向管状空腔,单根纤维内部含有微孔,这在很大程度上增加了声波与材料接触的比表面积,声波在传播过程中就会与中空纤维材料有