一种防水环保型聚酯纤维吸音板及其制备方法与流程

本发明涉及聚酯纤维，尤其涉及一种防水环保型聚酯纤维吸音板及其制备方法。

背景技术：

1、目前，建筑与交通领域广泛采用多孔纤维吸音板来实现噪声控制。其中，聚酯纤维板因其疏水、防霉、可回收等优势逐渐成为室内声学材料的主流选择。然而，隔声性能与轻量化及吸声性能之间存在根本性矛盾：为提升隔声量，需增大板材面密度或夹入重质层，但这导致重量增加、成本上升，且过高的密度会闭合纤维间孔隙，使吸声系数下降；而要实现轻质高吸声，则要求纤维板保持低密度和连通孔隙，但此类结构面密度不足，空气声隔离能力有限。此外，多孔纤维板的低频吸声能力与结构刚度之间的矛盾同样突出：低频噪声的波长较长，需借助共振腔或增加背后空腔深度来耗散，但此类结构设计会牺牲板材自身的抗弯刚度和尺寸稳定性。纯聚酯纤维板在长期使用中易发生蠕变下垂，若增大热压密度来提高刚性，则板内孔隙率降低，中高频吸声性能同步恶化。

2、针对上述矛盾，现有技术中出现了多种改进方案。一种方案是在纤维板中夹入钢板、铅板或高填充树脂膜等重质阻隔层，构成复合结构；另一种方案是采用双组分皮芯纤维，利用皮层低熔点聚酯热粘合形成刚性骨架，芯层保留中空结构。钢板、铅箔等异质材料无法与聚酯纤维共同回收，废弃板材需分离处理，使聚酯纤维板丧失了可循环的核心环保优势。而传统中空聚酯纤维壁厚仅数微米，在热压成型时中空结构易塌陷，实际空腔保持率不足30%，轻量化和声学效果大打折扣。

3、因此，现有技术中存在轻量化、高隔声、高阻尼、防水性和全回收难以兼顾的问题，缺乏一种从纤维分子结构到板材宏观构型的一体化解决方案，严重制约了聚酯纤维隔音板在潮湿环境、高隔声要求场景中的应用发展。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种防水环保型聚酯纤维吸音板及其制备方法；其包括皮芯微孔聚酯纤维、低熔点聚酯纤维和聚己内酯粉末三种组分；以重量份计，其中皮芯微孔聚酯纤维为70至80份，低熔点共聚酯纤维为20至25份，聚己内酯粉末为10份。所述皮芯微孔聚酯纤维的核心功能单元为芯层微孔结构，其为皮层致密而芯层富含闭孔微孔的皮芯结构，用于提供轻量化、防水屏障和声波多重散射耗散；所述芯层基体中还嵌有基于呋喃-双马来酰亚胺可逆diels-alder键的动态共价交联网络，用于赋予纤维高阻尼特性，将振动能和声能转化为热能耗散。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种防水环保型聚酯纤维吸音板的制备方法，其包括如下步骤：

3、步骤s1：以重量份计，称取75-80份皮芯微孔聚酯纤维短切并与15-20份低熔点聚酯纤维和10份聚己内酯粉末混合，送入纤维混合开松机中，梳理，铺网并往复进行，制得纤网；

4、步骤s2：将纤网送入双面针刺机中进行预加固，再将8层预加固纤网堆叠并热压，其先于温度为75℃和压力为0.3mpa下热压5min，再于温度为90℃和压力为1mpa下热压4min，再在其表面喷涂水性聚氨酯乳液，于80℃下烘干5min，裁剪，制得防水环保型聚酯纤维吸音板。

5、进一步，所述步骤s1中：纤网的面密度为300-320g/m2；步骤s2中：水性聚氨酯乳液固含量为5%，喷涂量为5g/m2。

6、所述皮芯微孔聚酯纤维通过如下步骤制得：

7、步骤a1：将混合聚酯材料、偶氮二甲酰胺、氧化锌和白油混合并干燥，制得芯层发泡预混料；将聚对苯二甲酸乙二醇酯-聚乙二醇嵌段共聚酯和疏水纳米二氧化硅混合并干燥，制得皮层预混料；

8、进一步，以重量份计：所述步骤a1中用量为：混合聚酯材料90-92份、偶氮二甲酰胺5份、氧化锌1.5份和白油0.5份；步骤a2中用量为：聚对苯二甲酸乙二醇酯-聚乙二醇嵌段共聚酯98份和疏水纳米二氧化硅2份；其聚对苯二甲酸乙二醇酯-聚乙二醇嵌段共聚酯中聚乙二醇含量为20wt%。

9、步骤a2：采用皮芯复合纺丝机进行纺丝，将芯层发泡预混料和皮层预混料分别通入双螺杆挤出机中并熔融挤出，喷丝板出丝，集束，牵引拉伸，卷绕，再送入真空烘箱中退火，制得皮芯微孔聚酯纤维；

10、进一步，所述步骤a2中：以计量泵控制芯层发泡预混料和皮层预混料的体积比为75：25或60：40；芯层发泡预混料和皮层预混料熔融挤出温度分别为260℃和240℃；喷丝板为环形皮芯孔，孔数为9，孔径0.3mm；绕卷速度为600m/min，拉伸倍数为1.2倍；退火压力为100pa，退火时其先于60℃下保温4h再在90℃下保温20h。

11、所述混合聚酯材料通过如下步骤制得：

12、步骤b1：将衣康酸二乙酯、糠胺和乙酸混合，在氮气保护，搅拌速率为300rpm，温度为50℃条件下，反应18h，冷却，饱和碳酸氢钠溶液洗涤，分液，旋蒸，干燥，制得侧基呋喃单体；

13、进一步，所述步骤b1中：衣康酸二乙酯、糠胺和乙酸的用量比为10g：5.2g：0.1ml。

14、步骤b2：将己二醇、1,4-丁二醇、侧基呋喃单体、钛酸正丁酯和对苯二酚混合，在氮气保护，搅拌速率为300rpm，温度为90℃条件下搅拌30min，再升温至120℃搅拌1h，最后升温至190℃并反应4h，抽真空至压力为100pa，并在200℃下反应3h，冷却，干燥，制得侧基呋喃共聚酯；

15、进一步，所述步骤b2中：己二醇、1,4-丁二醇、侧基呋喃单体、钛酸正丁酯和对苯二酚用量比为4.5g：7g：3.2g：0.005ml：0.03g。

16、步骤b3：将聚对苯二甲酸乙二醇酯、侧基呋喃共聚酯和4,4'-双马来酰亚胺基二苯甲烷干燥并与抗氧化剂1010、对苯二酚和硬脂酸钙混合，送入双螺杆挤出机中熔融挤出，水冷造粒，干燥，制得混合聚酯材料；

17、进一步，所述步骤b3中：聚对苯二甲酸乙二醇酯、侧基呋喃共聚酯、4,4'-双马来酰亚胺基二苯甲烷、抗氧化剂1010、对苯二酚和硬脂酸钙用量比为7g：3.5g：0.7g：0.05g：0.005g：0.03g；其中双螺杆挤出机机头温度为250℃，螺杆转速为200rpm，停留时间为2min。

18、进一步，上述反应过程中：步骤b1中，衣康酸二乙酯作为α,β-不饱和酯，其缺电子双键与糠胺的伯胺基在乙酸催化下发生迈克尔加成反应。糠胺的氨基作为亲核试剂进攻衣康酸二乙酯的β-碳，形成碳-氮键，将呋喃环通过稳定的仲胺键连接至二酯骨架上。采用无溶剂低温本体反应，乙酸提供弱酸性环境以抑制酯基与胺之间的酰胺化副反应，同时质子化部分胺基以控制反应速率。产物经饱和碳酸氢钠洗涤除去未反应的微量酸和胺盐，制得侧基呋喃单体。

19、步骤b2中，己二酸提供柔性脂肪链段，1,4-丁二醇为二元醇组分，侧基呋喃中间体作为含呋喃侧基的二元酸酯参与共聚。钛酸正丁酯催化酯交换和酯化反应，对苯二酚在缩聚阶段充当自由基抑制剂，防止不饱和呋喃环在高温下发生氧化或热交联。酯化阶段采用阶梯升温，使各组分二元酸依次与丁二醇反应，逐步排出缩合水。缩聚阶段在200℃和100pa下进行，低分子量副产物不断被抽除，驱动链增长平衡，得到侧基呋喃共聚酯。而引入己二酸链段后，共聚酯的玻璃化转变温度下降，远低于聚对苯二甲酸乙二醇酯，这为后续纤维固态退火时链段活动性提供了基础。

20、步骤b3中，聚对苯二甲酸乙二醇酯作为连续相基体，侧基呋喃共聚酯作为功能相分散其中，4,4'-双马来酰亚胺基二苯甲烷以纳米团簇形式均匀分布；挤出温度设定为250℃，该温度远高于呋喃-马来酰亚胺da键的逆反应温度，因此在此高温加工阶段，呋喃侧基与双马来酰亚胺之间不发生da交联反应，两者以未反应状态存在于熔体中。抗氧化剂1010提供主抗氧化保护，对苯二酚作为额外的自由基抑制剂，其双重作用是：一方面抑制双马来酰亚胺在高温下的自由基自聚，防止生成不可逆聚酰亚胺；另一方面抑制呋喃环的热氧开环降解。挤出后立即水冷，物料在数秒内降温至玻璃化转变温度以下，将呋喃基团和马来酰亚胺基团固定并均匀分散于母粒中。

21、步骤a2中，皮层采用聚对苯二甲酸乙二醇酯-聚乙二醇嵌段共聚酯（pet-peg），而疏水纳米二氧化硅的添加提高了皮层熔体强度和表面疏水角，在纺丝剪切场中趋向纤维表面富集，形成疏水壳层。芯层发泡预混料中，偶氮二甲酰胺在260℃的高温下迅速分解，产生氮气和一氧化碳气体，氧化锌作为活化剂将分解起始温度降低，使发泡在熔体进入喷丝孔时同步触发。皮芯熔体在环形喷丝孔内汇合，皮层因接触低温侧吹风而率先冷却固化成致密无泡皮层，芯层内部的过饱和气体在压力骤降和温度梯度驱动下均匀成核并膨胀，形成大量闭孔微孔，被芯层基体的高粘度熔体包裹固定。拉伸和热定型使纤维取向度提高，皮层致密化程度增强。此阶段纤维中呋喃与双马来酰亚胺仍维持未反应状态，因为纺丝温度过高，远超da键稳定温度。

22、步骤a2的后段，将成型纤维进行真空低温固态退火，这是赋予纤维高阻尼特性的核心步骤。在100pa真空环境下，第一阶段于60℃保温4h，使得芯层基体中游离的双马来酰亚胺小分子获得足够的扩散动能，通过纤维非晶区的链段间隙运动至呋喃侧基附近。第二阶段升温至90℃并保温20h，非晶区链段具有充分的活动性，呋喃环与马来酰亚胺基团在热力学驱动下发生正向diels-alder环加成反应，逐步形成以可逆共价键连接的轻度交联网络。交联网络通过以下两种机制实现高阻尼：一是动态共价键在应力作用下的可逆断裂与重组消耗大量机械能；二是交联点之间的链段受限运动增强了粘弹性内耗，使纤维损耗因子tanδ提升。而低温退火同时避免了高温处理对微孔结构的破坏，皮层致密性和芯层闭孔形态得以完整保留。

23、步骤s1至s2中，皮芯微孔短纤维、低熔点共聚酯纤维和聚己内酯粉末的复配采用了双级粘结策略。聚己内酯粉末在热压时熔化，在纤维交叉点形成柔韧的弹性粘接点，为网络提供初始定型。通过调节压力至1兆帕，将纤网压缩，同时纤维皮层因表面纳米二氧化硅的存在保持疏水特性。再在表面喷涂水性聚氨酯乳液并于80℃烘干后形成极薄的连续膜，封堵表层微孔开口，使板材接触角提高，但膜层极薄。而整个制板过程最高温度仅为90℃，远低于da键的逆反应温度，纤维内部的动态交联网络完全保留，板体阻尼性能不衰减。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开了一种高阻尼皮芯微孔聚酯纤维防水隔音板及其制备方法。隔音板采用皮芯微孔聚酯短纤维为主体骨架，以低熔点共聚酯纤维和聚己内酯粉末为双级粘结体系。

25、本发明采用低温固态退火后交联工艺配合高温共混工艺，实现了da动态共价交联网络在聚酯纤维中的成功构建：在纤维高温熔融加工阶段，通过自由基抑制剂和快速冷却将呋喃与双马来酰亚胺以未反应状态均匀固定在基体中；在纤维成型后的低温真空退火阶段，利用基体玻璃化转变温度以上链段活动性，使两者在固态下发生正向diels-alder反应，形成可逆交联；这一分步策略解决了聚酯高温加工条件与da键低温形成热力学窗口之间的矛盾，使最终纤维的损耗因子tanδ提高，从根本上赋予隔音板高阻尼特性，有效抑制吻合频率处的隔声低谷和结构振动噪声。

26、本发明采用皮芯复合纺丝配合芯层化学发泡，在单根纤维内部构建皮层致密、芯层富含闭孔微孔的结构：皮层选用含纳米二氧化硅的pet-peg嵌段共聚酯，快冷形成致密层，提供防水屏障和纤维强度；芯层通过偶氮二甲酰胺分解形成的闭孔，降低纤维密度的同时形成声波多重散射界面，增强声能耗散。这一结构解决了传统中空纤维孔壁在热压时易塌陷的难题，微孔分散于芯层连续的聚酯基体中，抵抗压缩变形的能力显著优于单孔的中空纤维。

27、本发明采用双级粘结热压成型方案：聚己内酯在75℃低温热压时率先熔融形成弹性结点，低熔点共聚酯纤维在后续升温中提供刚性骨架。该方案使热压最高温度不超过90℃，远低于da键逆反应起始温度，从而完整保留了纤维的高阻尼交联网络；同时，全聚酯体系pet基纤维+共聚酯粘结纤维+脂肪族聚酯保证了板材废弃物可通过热压或化学解聚实现回收，真正满足环保防水隔音板的全生命周期绿色化要求。