廢棄纖維再資源化吸聲材料的研究進(jìn)展*

劉 燕 陶 園 王其才 陳長(zhǎng)潔

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海201620；2. 杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院達(dá)利女裝學(xué)院，浙江 杭州310018；3. 浙江理工大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院)，浙江 杭州310018；4. 山東理工大學(xué)魯泰紡織服裝學(xué)院，山東 淄博 255000

我國(guó)是纖維生產(chǎn)和使用大國(guó)，纖維年消耗總量達(dá)千萬(wàn)噸[1]。纖維生產(chǎn)過(guò)程和日常生活中產(chǎn)生的各種纖維廢料的數(shù)量驚人，資源浪費(fèi)的同時(shí)也嚴(yán)重污染了環(huán)境。目前，處理廢棄纖維的方法有燃燒法、填埋降解法和再生法3種。燃燒法會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，甚至有毒氣體，污染環(huán)境；填埋降解法對(duì)成本和技術(shù)的要求較高[2]。故廢棄纖維的再利用成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

隨著城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展，噪聲污染已成為僅次于空氣和水污染的第三大污染[3]。噪聲污染不僅影響人們的生活和健康，還會(huì)加速材料的老化，影響設(shè)備和儀器測(cè)量的精確性[4]?，F(xiàn)有吸聲材料主要為多孔吸聲材料和共振吸聲材料，多孔吸聲材料又包括纖維吸聲材料、泡沫吸聲材料和顆粒吸聲材料等。除有機(jī)纖維材料以外的傳統(tǒng)吸聲材料[5]的吸聲效果總體較為理想，但存在低頻范圍吸聲效果不佳[6]、制造過(guò)程需消耗大量能源、成本較高、釋放溫室氣體、使用壽命短、廢棄后不易降解及對(duì)環(huán)境造成二次污染等一系列不足之處。紡織纖維材料因具有多孔、輕質(zhì)、阻尼等多種優(yōu)良性能而被廣泛用作吸聲材料，其能有效控制噪聲，從而為我們的生活提供一個(gè)良好的環(huán)境。傳統(tǒng)建筑隔聲類材料大多為復(fù)合材料，因此，利用廢棄纖維來(lái)制造吸聲降噪產(chǎn)品，不但能解決大量廢棄纖維的回收再利用問(wèn)題，減少資源浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，而且能緩解環(huán)境污染的問(wèn)題，符合我國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低成本加工及可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

廢棄纖維主要來(lái)源于動(dòng)物、植物和化纖三大類材料，但目前仍缺乏廢棄纖維再資源化吸聲材料概況的詳細(xì)報(bào)道。本文將綜述動(dòng)物毛羽、纖維素纖維和合成纖維廢棄物的研究進(jìn)展。

1 動(dòng)物毛羽廢棄物

處理動(dòng)物毛羽的傳統(tǒng)方法主要為填埋降解或焚化爐焚燒。填埋降解會(huì)污染土壤，焚化爐焚燒會(huì)釋放大量的溫室氣體。研究表明[7]，與特定厚度的天然吸聲材料相比，以毛羽纖維為原料，采用氣流成網(wǎng)法制備的非織造布在250～800 Hz低頻范圍內(nèi)有更高的吸聲系數(shù)。利用廢棄羊毛或雞毛不僅能制造吸聲性能優(yōu)異的產(chǎn)品，還能提高家禽企業(yè)的利潤(rùn)。

1.1 羊毛纖維復(fù)合材料

相關(guān)研究表明[8]，羊毛纖維基材料在使用和處置階段消耗的能量比天然材料少。我國(guó)新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、西藏、青海五大畜牧區(qū)有豐富的羊毛資源[9]，但廢棄羊毛纖維的數(shù)量仍不能滿足吸聲材料的生產(chǎn)需求，因此必須將廢棄羊毛纖維與其他材料相結(jié)合，制備羊毛纖維吸聲復(fù)合材料。

李長(zhǎng)偉等[10]以廢棄羊毛為增強(qiáng)材料，乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)為基體材料，通過(guò)熱壓法制備了廢棄羊毛/EVA吸聲復(fù)合材料，并采用傳遞函數(shù)法對(duì)其吸聲性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，廢棄羊毛/EVA吸聲復(fù)合材料在低、中、高頻都有優(yōu)異的吸聲性能，且吸聲頻帶較寬，1 000 Hz處的吸聲系數(shù)可達(dá)0. 9，降噪系數(shù)達(dá)0.65。廢棄羊毛/EVA吸聲復(fù)合材料的平均吸聲系數(shù)為0.6，屬于高效吸聲材料。Patnaik等[11]將廢羊毛纖維與再生聚酯纖維(RPET)按50/50的質(zhì)量比混合，制成可用于建筑工業(yè)的隔熱吸聲產(chǎn)品, 即RPET/廢羊毛雙層氈。通過(guò)駐波比法測(cè)得，RPET/廢羊毛雙層氈在50～5 700 Hz頻率范圍內(nèi)可吸收70%以上的入射噪聲，吸聲效果較為理想。此外，RPET纖維主要來(lái)源于塑料瓶廢棄物，試驗(yàn)表明，經(jīng)50 d的堆肥處理，RPET/廢羊毛雙層氈的生物降解率可達(dá)65%～70%。因此，該羊毛纖維復(fù)合材料的制備不僅能提供吸聲產(chǎn)品，還能為廢棄塑料瓶的回收利用提供一個(gè)解決思路。將廢棄羊毛纖維用作吸聲材料，安全環(huán)保且性能優(yōu)異，適用于實(shí)際環(huán)境的應(yīng)用。

1.2 雞毛纖維復(fù)合材料

我國(guó)是畜牧業(yè)大國(guó)，每年的禽類羽毛產(chǎn)量約為百萬(wàn)噸。廢棄的雞毛因其角質(zhì)蛋白不易被土壤中的微生物分解而無(wú)法用作有機(jī)肥直接使用[12]，故廢棄雞毛中的角質(zhì)蛋白因利用價(jià)值低而被大量棄置于環(huán)境中，污染水、空氣的同時(shí)還導(dǎo)致蒼蠅、病毒的滋生，危害人類的健康。

從聲學(xué)角度而言，角質(zhì)蛋白因固有的微觀多孔結(jié)構(gòu)而具有良好的聲學(xué)性能，所以將廢棄雞毛纖維用于吸聲材料，能在一定程度上緩解環(huán)境污染的問(wèn)題。有研究表明[13]，將雞毛纖維與聚合物混合制備的剛性生物復(fù)合材料面板表現(xiàn)出有限的吸聲性能，而將雞毛纖維與聚合物加工為非織造布時(shí)，其吸聲效果顯著提高。

Marta等[13]將廢棄雞毛纖維與廢棄羊毛混合生產(chǎn)吸聲非織造布，其聲學(xué)特性與巖棉相似，在2 200 Hz頻率以下有良好的吸聲性能。試驗(yàn)中，質(zhì)量混合比為50/50的廢棄雞毛纖維/廢棄羊毛非織造布在酸化、光化學(xué)氧化、人類毒性和非生物損耗等方面都表現(xiàn)出較好的環(huán)境適應(yīng)性能，可作為目前多孔吸聲材料的替代材料。Huda等[14]以雞毛纖維和高密度聚乙烯/聚丙烯(HDPE/PP)纖維為主要原料制備出一種復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)廢棄雞毛纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%～40%時(shí)，該復(fù)合材料在1.5 kHz頻率以下的吸聲效果較好。

上述采用廢棄羊毛纖維加工復(fù)合材料的工藝雖能耗少，但干燥、梳理和針刺等工藝流程會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。廢棄雞毛纖維質(zhì)量小，其可回收性和生物降解性與廢棄羊毛復(fù)合吸聲材料相當(dāng)，但廢棄雞毛纖維的加工過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)便，對(duì)環(huán)境影響較低?？傮w來(lái)說(shuō)，由于動(dòng)物毛羽纖維數(shù)量較多，吸聲能力強(qiáng)，相較于傳統(tǒng)吸聲材料而言，動(dòng)物毛羽廢棄纖維吸聲材料具有更大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

2 纖維素纖維廢棄物

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物已呈現(xiàn)出日益增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，農(nóng)作物的收集、管理和再利用成為世界各國(guó)亟待解決的生態(tài)問(wèn)題。相較于廢棄動(dòng)物毛羽，將部分植物廢棄物作為飼料和肥料，不足以解決數(shù)量龐大的農(nóng)業(yè)廢棄物。因此，將纖維素纖維廢棄物制成吸聲材料，可解決噪聲污染和資源浪費(fèi)的問(wèn)題，對(duì)提高廢棄物的利用價(jià)值也有重要意義。

2.1 廢棄麻纖維復(fù)合材料

麻纖維屬于來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、可降解的天然纖維。我國(guó)麻纖維的年產(chǎn)量十分巨大。研究表明[15]，50%～60%的麻纖維為廢棄纖維，這無(wú)疑是一種資源浪費(fèi)。麻纖維的單纖維中有細(xì)胞腔，其呈多孔結(jié)構(gòu),是一種良好的吸聲材料。

Raj等[16]研究了以廢棄黃麻纖維為基材，膠乳橡膠為黏合劑的氈型復(fù)合材料，通過(guò)傳遞函數(shù)法測(cè)得其降噪系數(shù)比傳統(tǒng)吸聲材料高，吸聲系數(shù)達(dá)0.77。呂麗華[17]以廢棄麻纖維為增強(qiáng)材料、廢棄聚氨酯為基體材料，通過(guò)添加金屬鐵粉，以共混塑煉-熱壓法制備復(fù)合材料，再與丙綸氈復(fù)合制備出一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料為4層時(shí)，在4 000～6 000 Hz的高頻范圍內(nèi)，采用阻抗管測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得其吸聲系數(shù)接近于1.0，吸聲效果十分理想。

2.2 其他纖維素纖維廢棄物

除了將廢棄麻纖維與其他材料復(fù)合制得高效吸聲材料外，也可將其他纖維素類廢棄物與其他材料復(fù)合制備吸聲材料。此類研究較多，工藝較為成熟。

呂麗華等[18]以廢棄花生殼為增強(qiáng)材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)粉末為基體材料，采用熱壓法制備了廢棄花生殼/EVA吸聲復(fù)合材料。在最優(yōu)工藝下，廢棄花生殼/EVA復(fù)合材料在低、中、高頻率范圍內(nèi)具有優(yōu)異的吸聲性能，采用傳遞函數(shù)法測(cè)得這一復(fù)合材料的最大吸聲系數(shù)達(dá)0.9，屬于高效吸聲材料。Martellotta等[19]研究了殼聚糖在橄欖樹(shù)剪枝廢棄物中的應(yīng)用，其以生物基殼聚糖作為黏合劑，與橄欖修剪廢料混合后獲得吸聲材料。通過(guò)傳遞函數(shù)法測(cè)得50 mm厚的該類樣品，在1 kHz頻率以上的吸聲系數(shù)高達(dá)0.90，屬于高效吸聲材料。Putra等[20]利用廢棄甘蔗纖維制造吸聲材料，通過(guò)駐波比法測(cè)得在1.2～4.5 kHz頻率范圍內(nèi)的平均吸聲系數(shù)為0.65，可與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)纖維制得的吸聲材料相媲美。Chen等[21]以廢棄絲瓜纖維和環(huán)保型聚酯纖維為原料，按照3∶2的質(zhì)量比混合均勻后，采用潔凈熱壓工藝制得絲瓜纖維吸聲復(fù)合材料。采用傳遞函數(shù)法測(cè)得密度為0.09 g/cm3、厚度為4 cm、孔隙間距為2 cm的絲瓜纖維復(fù)合材料的平均吸聲系數(shù)為0.65，是一種較為理想的吸聲材料。Ersoy等[22]對(duì)茶葉加工過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢料的吸聲特性進(jìn)行了研究。數(shù)據(jù)表明，在茶葉纖維的背面加一層棉布，可以顯著提高其吸聲性能，如10 mm厚的茶葉纖維廢料的吸聲效果與6層純棉機(jī)織布的吸聲效果相當(dāng)。在500～3 200 Hz的頻率范圍內(nèi)，20 mm厚的茶樹(shù)葉纖維吸聲材料與聚酯和聚丙烯基非織造材料的吸聲效果相當(dāng)；而10 mm厚的茶樹(shù)葉纖維吸聲材料的吸聲效果更佳。劉英杰等[23]以楊絮纖維為增強(qiáng)材料、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)為基體材料，通過(guò)采用熱壓成型工藝制備出一種楊絮纖維/EVA吸聲復(fù)合材料，采用傳遞函數(shù)法測(cè)得該復(fù)合材料的最大吸聲系數(shù)達(dá)0.65。這一研究不僅制備出了環(huán)保型吸聲材料，還在一定程度上解決了楊絮危害人體健康和生態(tài)環(huán)境的問(wèn)題。

目前，有關(guān)纖維素纖維廢棄物在吸聲材料方面的研究較多，工藝比較成熟，制得的新型材料在某些特定條件下，在中、低頻范圍內(nèi)吸聲性能良好，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)吸聲材料的不足之處。

3 合成纖維廢棄物

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)、工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展的情況下，工業(yè)合成纖維廢棄物的合理利用對(duì)環(huán)境保護(hù)及資源再生的意義和影響日趨突出。如由廢棄滌綸和橡膠纖維制得的復(fù)合材料，其吸聲性能比由傳統(tǒng)無(wú)機(jī)纖維制得的吸聲材料更為優(yōu)異。

3.1 廢棄滌綸

滌綸的年產(chǎn)量和使用量十分巨大，因此廢棄滌綸的數(shù)量也十分龐大。滌綸因在自然環(huán)境下難以降解而給環(huán)境造成了很大的壓力。從聲學(xué)角度來(lái)看，滌綸屬于多孔纖維材料，具有良好的吸聲性能，因此將其用于制造吸聲材料是解決廢棄滌綸的有效方法。

于翔[24]以廢棄滌綸為原料，將三層復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲材料和隔聲復(fù)合材料組合，制備了廢棄滌綸織物/氯化聚乙烯多層隔音復(fù)合材料。通過(guò)混響室法和阻抗管法測(cè)得其降噪系數(shù)為0.55，較為優(yōu)異。呂麗華等[25]以廢棄滌綸為增強(qiáng)材料，熱塑性聚氨酯為基體材料，將其加工成穿孔板，與廢棄滌綸織物貼合后制成3層吸聲復(fù)合材料。經(jīng)傳遞函數(shù)法測(cè)得該復(fù)合材料的穿孔率為1.6%，穿孔直徑為15 mm，穿孔板板厚為2 mm，該復(fù)合材料在1 000 Hz頻率下的吸聲系數(shù)達(dá)0.74，結(jié)果較為理想。

3.2 廢棄合成橡膠纖維

廢棄合成橡膠具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，難以降解，但廢棄合成橡膠纖維有優(yōu)異的減震緩沖性能，可用作吸聲材料。Maderuelo-Sanz等[26]利用來(lái)自輪胎(ELTs)的廢料，對(duì)熱處理后的殘?jiān)M(jìn)行熱壓縮得到一種新型吸聲材料。通過(guò)傳遞函數(shù)法測(cè)得，由這類廢棄物制得的吸聲材料在低頻和高頻下均具有良好的聲學(xué)性能，可作為傳統(tǒng)無(wú)機(jī)纖維吸聲產(chǎn)品的替代材料。Thai等[27]利用輪胎廢料中的橡膠纖維，通過(guò)冷凍干燥工藝，制備了一種橡膠氣凝膠隔聲材料。該新型材料的吸聲系數(shù)可達(dá)0.56，吸聲效率較高。晏雄等[28]以一種廢棄橡膠纖維為基體，以七孔中空滌綸短纖SHPF為功能填充材料，制備了一種吸聲且兼具阻尼減震的新型復(fù)合材料。阻波管測(cè)試表明，在1 500～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)，該復(fù)合材料的吸聲性能隨著廢棄橡膠纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而提高。

利用合成纖維廢棄物制備的新型吸聲材料比由傳統(tǒng)玻璃棉或其他礦物纖維制得的吸聲材料更便宜、更環(huán)保，厚度小且性能好而具有良好的發(fā)展前景。相較動(dòng)物毛羽廢棄纖維和纖維素纖維廢棄物而言，合成纖維廢棄物在吸聲材料方面的研究較少，還有待進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

吸聲材料是新材料領(lǐng)域的重要組成部分，其對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展有重要的推動(dòng)和支撐作用。紡織材料雖在吸聲降噪領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但紡織吸聲材料對(duì)中、低頻段的噪聲控制仍處于較低水平，在環(huán)保問(wèn)題上存在諸多不足。將廢棄纖維用作吸聲材料，既可提高傳統(tǒng)吸聲材料的性能，又能緩解資源浪費(fèi)和環(huán)保問(wèn)題的嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)。因此，利用廢棄纖維生產(chǎn)吸聲材料是科技創(chuàng)新、可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

目前，利用廢棄纖維制造吸聲材料的工藝并不是非常完善，如由廢棄動(dòng)物毛羽制得的吸聲材料的化學(xué)穩(wěn)定性較差；利用纖維素纖維廢棄物制備新型復(fù)合材料所用的黏合劑大多含有合成元素，環(huán)保性較差；由合成纖維廢棄物制備的吸聲材料的防火防腐性能較差，應(yīng)考慮與其他阻燃防潮型材料進(jìn)行功能復(fù)合，進(jìn)一步提高該產(chǎn)品的使用性能，使吸聲材料向著更為創(chuàng)新、環(huán)保、多功能復(fù)合的方向不斷邁進(jìn)。