美利奴羊毛

文 |怪谈Talk

编辑 | 怪谈Talk

前言

近年来，由于生产成本降低和环境保护，天然材料正成为传统吸声材料的有效替代品，这项研究探索了绵羊毛作为建筑材料的替代用途，除了作为纺织工业中的吸声材料或纺织工业中的废羊毛作为原材料的传统应用之外，还具有改进的吸声性能。

目的是以绵羊毛为原料，获得具有改善的吸声性能的材料，通过热压(60÷80℃和0.05 ÷ 6 MPa)羊毛纤维获得7种材料，通过冷压获得1种材料，结果表明，通过简单地热压羊毛，获得了不同的产品，其可以被加工并且容易操作。

所得材料具有非常好的吸声性能，对于800 ÷ 3150 Hz的频率范围，吸声系数值超过0.7，结果证明，绵羊毛具有与矿棉或回收聚氨酯泡沫相当的吸声性能。

将绵羊毛作为声学应用的前景和挑战

从可持续发展的角度来看，一个重要的目标是选择易于回收和再生的原材料，以及当地可获得和环境友好的原材料，这包括木材、粘土、石头、稻草、生物纤维和绵羊毛，前提是任何进一步的加工都以低能耗进行。

这些材料的来源可以是植物或动物，由于在生产过程中节约了能源，因此它们的生产对环境的影响很小，已经深入研究了将天然纤维用作声学应用的原材料，尤其是近几年，许多行业正在转向基于天然材料的环保产品。

这可能是由于加工这些类型的材料所需的能量低于合成材料所需的能量，例如，处理1 m3绵羊毛的绝缘材料会产生大约5.4公斤的二氧化碳，而一氧化碳的量矿棉的产量为135千克，因此，当使用这些类型的材料时，对环境的影响较低，并且对环境没有负面影响。

许多天然材料，如竹子、洋麻、剑麻、亚麻、羊毛、软木或椰子纤维，表现出良好的吸音性能，因此可用作隔音室和隔音屏障的吸音材料。

绵羊毛的混合物被机械地固定到具有不同厚度和密度的增强布上，结果表明，绵羊毛具有较高的吸湿性，最高可达35%,是一种优良的隔音材料。

将绵羊毛作为声学应用的可持续材料进行了研究，这些材料由绵羊毛通过与聚酯纤维热融合制成，聚酯纤维是从回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄片中获得的，作为粘合剂(PET纤维在140–150°C熔化)。

最终材料含有80%的绵羊毛纤维(一等品、二等品或混纺)，其余20%为PET纤维，从测量结果可以看出，含有PET纤维的绵羊毛是一种良好的中高频吸声材料，对于600 ÷ 3150 Hz的频率范围，所获得的最佳材料的吸声系数大于0.5。

迄今为止，绵羊毛传统上被用于纺织工业，用于制造传统的羊毛产品，如地毯、服装、窗帘、被罩和床上用品。

最近，由于它们的热性能，它们也被用于建筑工业，为了制造羊毛基建筑材料，通常使用粗纤维或那些不能用于纺织工业的纤维，羊毛具有良好的热特性，密度为25 ÷ 92.5 kg/m时，羊毛板材的导热系数在0.040和0.041 W/mK之间变化。

绵羊毛纤维的大小与矿物纤维相似，33 ÷ 36米的绵羊毛纤维与PET聚酯纤维(33米)的尺寸大致相同或洋麻纤维(36米)，与合成纤维不同，绵羊纤维没有固定的厚度，根据科学文献，它们的厚度范围具有2米的标准偏差，纤维直径也取决于绵羊的品种。

羊毛纤维表面有许多鳞片，纤维只能向一个方向运动，在水分和热量存在的情况下，在机械搅动、摩擦和压力下，一根纤维的鳞片边缘锁定在另一根纤维的鳞片间间隙中，就像“棘轮”机构一样，纤维相互交错，不能回到原来的位置，导致不可逆的毡缩。

压制毡是由羊毛或动物毛在温暖潮湿的条件下通过机械搅拌和压缩纤维而制成的。

目的是分析基于绵羊毛的一些材料或结构的吸声系数，作为传统吸声材料(羊毛毡、矿棉或泡沫)或新系列改进吸声材料的替代品。

用阻抗管测量了绵羊毛的吸声性能，实验结果表明，在添加或不添加其他元素(聚氨酯泡沫、环氧树脂或聚酯树脂)的情况下，该材料在开发用于吸声的建筑元件方面具有优异的性能。

与市场上的经典声学材料相比，获得的材料具有良好的性能，由于不使用粘合剂，并且工作参数(压力和温度)要求低能耗，因此它们也是环境友好的，与标准的制毡方式相比，这些具有非常好的吸声性能的材料可以在没有湿气的情况下通过热压获得。

使用黑色美利奴羊毛进行测试

为了获得所需的吸音材料，使用了黑色美利奴羊毛(不同深浅的黑色，包括深棕色)，生绵羊毛(60 ÷ 80毫米长，18 ÷ 20米细度，100毫米波纹，密度为3.4578克/厘米3)在实验之前，原羊毛被清洗以去除杂质、沙子和灰尘，然后被干燥和梳理。

使用的样品通过热压和冷压获得，用于获得材料样品的模具具有带有两个铝热板(顶部和底部)的圆柱形形状，从两侧加热样品，以在模具中获得均匀的温度。

该模具配备有四个设置在外部的热电偶，它们连接到温度调节器并测量工作温度，模具也装有恒温器以保持恒温。

因为材料降低声能的能力取决于其厚度，所以考虑不同的羊毛量以制备不同厚度的样品。

冷压样品的模具由带盖的矩形钢制成，为了获得热压样品，在模具中对材料施加0.05 ÷ 6 MPa的压力进行热压，材料被加热到60÷80°c，当羊毛纤维被加热时，它们很容易填充新的形状，模具中的压力迫使羊毛纤维压缩。

获得的样品在压力下保持在模具中，直到完全冷却，此后，打开模具，提取样品，该过程遵循的主要参数是压力、压制时间和温度，所需的热量通过模具壁传递，所需的压力来自手动操作的液压机。

按照上述程序获得八种吸声材料，将获得的材料分成三组取决于实施方案:用水润湿的热压羊毛(WHW，标记为A)、热压羊毛(WH，标记为B)和冷压羊毛(WC，标记为C)。

在B组材料的情况下，羊毛未润湿，初始羊毛层(120和240 mm)在80°c的温度下以4和0.05 MPa热压，构成组C的材料通过在0.003 MPa的压力下冷压初始高度为40 mm的羊毛层获得。

对样品隔音性能的测试和分析

表观密度的测定根据ISO 845:2006，测试样品是直径为63.5毫米的圆柱形，每种材料都有特定的高度，样品的尺寸测量精度为0.1毫米，使用精确度为0.01克的实验室天平测定重量，使用以下公式计算样品的表观密度:

在其中m是样品的质量，以及V是样品的体积。

垂直入射时的吸声系数(α)是试样表面吸收的声能与垂直入射时平面声波的入射声能之间的商，ISO 10534-2标准建立了一个测试程序，通过一个阻抗管、两个麦克风位置和一个数字分析系统信号来确定吸声体垂直入射时的吸声系数。

利用阻抗管测量吸声系数的方法是基于这样的事实，即垂直入射时的反射系数(r)可以从距离样品不同距离处的传声器的两个位置之间的测量传递函数(H12)中计算出来，事件的传递函数和反射波之间的麦克风位置定义如下：

传递函数(H12)的总声场可以用下列公式计算：

反射系数(r)在样品表面(x= 0)如下：

用以下公式计算垂直入射时的吸声系数：

α值是通过在直径为63.5 mm的管中产生驻波来确定的，因此测试是在圆形样品每次测试期间，圆形样品被放置在孔特氏管的末端。

在100 ÷ 3200 Hz的间隔内在第三倍频程频带记录测量值，并在26°C的空气温度、55%的相对湿度和100.5 kPa的压力下进行测量。

材料密度对声学测试结果的影响

材料密度是材料吸声的一个重要因素，随着材料密度的增加，中高频的吸声也增加，单位面积纤维数量的增加增加了表观密度，能量损失随着摩擦表面的增加而增加，从而增加了吸声系数。

可以看出，热压材料比冷压材料具有高得多的密度，绵羊毛制成的材料的密度随着压力的增加而增加。

材料的声学特性基于吸声系数α，该参数是表面上吸收的声强与入射声强的比率，材料吸收声能的潜力取决于以下因素:密度、厚度、孔隙率、纤维直径、气流电阻率、弯曲度、表面阻抗、压缩、空气间隙和多层。

材料厚度对吸声系数的影响强调并讨论了在80°C和4至0.05 MPa的压力下，吸声系数随热压绵羊毛材料厚度的变化。

通过增加复合材料的厚度来提高吸声系数，这一点已在文献中得到证明，对纤维毡、玻璃棉、稻草、纺织废料、橡胶屑和聚酯等材料进行的实验测试都表明，随着材料厚度的增加，吸声性能会增加，尤其是在较低频率时。

对热压羊毛基材料的吸声系数值的分析相对于文献中报道的其他羊毛基材料显示，在可比厚度下，系数值更好。

这可以用压缩过程中材料中的纤维相互靠近来解释，因此，材料变得更加致密，开孔率降低，并且压缩导致材料厚度减小。

纤维垫的吸声性能在压缩过程中降低，因为材料厚度在压缩过程中降低，对聚酯纤维进行的压缩试验表明，当纤维垫被压缩时，吸收系数下降。

结语

在不使用任何粘合剂的情况下，从天然和可再生原料(如绵羊毛)中获得具有非常好的声学性能的环境友好材料，是解决环境问题的重要步骤，同时也是找到使用羊毛的新方法的重要步骤，通过简单地热压羊毛，可以获得可以加工和操作的材料。

热压材料的密度比冷压材料高得多，热压绵羊毛制成的材料密度随着压力的增加而增加。

由于羊毛在温度为80°C的水的存在下具有热塑性，与含水量较低的材料相比，材料WHW80_6_75在低于2850 Hz的频率下具有较低的吸声系数。

WH240_0.05其中0.01克/厘米3密度和0.05 MPa下压制的样品比WH240_4具有更好的吸声性能，wh 240 _ 4在4 MPa下压制的样品具有0.61 g/cm3密度，在压缩过程中，材料的纤维靠近，因此开孔率降低，压缩增加。

获得的WH240_0.05材料在2000 Hz以下的频率范围内具有最好的吸声性能，而在2000 ÷ 3200 Hz的频率范围内具有与矿棉几乎相同的值，因此，热压绵羊毛具有比矿棉更好或至少相等的吸声性能，矿棉是最广泛使用的吸声纤维材料之一。

所得材料的应用领域很广，但其他特性还需确定。