纳米纤维毡复合材料制备及其吸声性能研究

邹亚玲 石 琳 周 颖 姚理荣

(南通大学纺织服装学院，南通，226019)

噪声污染已成为世界性的问题，同水污染和大气污染一起被列为全球三大污染［1-3］。对噪声的防治措施主要是控制声源和采用吸声材料［4-7］。目前广泛使用的传统吸声材料在高频段吸声效果好，在低频段吸声效果差。虽然通过增加材料厚度可以将吸声最佳声频向低频方向移动，但存在资源浪费、材料结构笨重等局限。纳米纤维毡凭借其对低频噪声良好的吸收能力弥补了传统吸声材料在低频区吸收能力不足的缺陷，并且具有耗材少、质量轻等优点［8-10］。

本文以二甲基甲酰胺(DMF)/丙酮混合溶剂分别溶解聚氨酯(PU)和聚偏氟乙烯(PVDF)制备静电纺丝溶液，采用高压静电纺丝技术分别将PU、PVDF和PU/PVDF共混三种纺丝液喷纺于多孔泡沫板表面，制成纳米纤维毡复合材料，并测试了复合材料的吸声性能。

1 试验部分

1.1 材料与试剂

材料：PU颗粒、PVDF粉末，80℃下烘干备用;泡沫板，厚度2 mm。

试剂：DMF、丙酮，均为分析纯。

1.2 试验设备

Y802A型八篮恒温烘箱，常州纺织仪器厂;

BS124S型电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司;

KYKY-2800B型扫描电子显微镜，北京中科科仪技术发展有限责任公司;

HL-2高压直流电源，上海激光电源设备有限公司;

HJ-2恒温磁力搅拌器，金坛市城东新瑞仪器有限公司;

SW422型阻抗管测试系统，北京声望技术有限公司;

注射器，自制滚筒接受装置。

1.3 样品制备

根据前期试验［11-13］，选取 DMF/丙酮作为溶解PU和PVDF的溶剂(DMF/丙酮体积比为4∶6)，当纺丝液的PU和PVDF质量分数为14%时，纺丝液性质稳定。PU和 PVDF分别在 DMF/丙酮中于80℃下搅拌溶解;再将PU和PVDF溶液分别按1∶9、3∶7、5∶5、7∶3 和 9∶1 的质量比混合，再于 80 ℃下搅拌均匀，制得PU/PVDF共混溶液，备用。

将所制备的质量分数为14%的PU、PVDF纺丝液和PU/PVDF共混溶液分别吸入注射器中，置于微量泵上。注射器针头内径 0.5 mm，流量1 mL/h，纺丝电压14 kV，接收距离10 cm，使用滚筒接收装置，于泡沫板表面直接喷射不同厚度的纳米纤维毡。

1.4 形貌及吸声性能测试

1.4.1 纳米纤维毡微观形貌表征

将所制备的纳米纤维毡剪样喷金后于扫描电子显微镜下观察形貌。

1.4.2 吸声性能测试

按照GB/T18696.2—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》测定纳米纤维毡复合材料吸声性能。测量中低频250～2 500 Hz之间的吸声系数，测3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 纳米纤维毡微观形貌

图1为PU和PVDF纳米纤维毡的微观形貌。前期研究［11-12］已确定，在纺丝电压和接收距离一定的条件下制备PU和PVDF纳米纤维毡时，纺丝液浓度和溶剂配比是影响纳米纤维形貌及性能的主要因素。研究发现，当混合溶剂DMF/丙酮体积比为4∶6、纺丝液的PU和PVDF质量分数为14%时，PU和PVDF纳米纤维毡的形貌较好，即纳米纤维毡中无珠块状等缺陷，纳米纤维直径较均匀，如图1所示。

图1 纳米纤维毡微观形貌

图2为PU/PVDF共混纳米纤维毡的微观形貌。其中，混合溶剂DMF/丙酮体积比为4∶6，PU和PVDF溶液质量分数均为14%，PU和PVDF溶液的混合质量比分别为 1∶9、3∶7、5∶5、7∶3 和 9∶1。图2显示：随两者混合比的改变，PU/PVDF纳米纤维毡的形貌变化不大，都没有珠块状缺陷;主要区别表现在纳米纤维直径的大小及均匀性不同［13］。纤维直径和均匀性将影响纳米纤维毡的强度和孔隙率，这也是影响吸声性能的主要影响因素［14］。随着PU/PVDF共混物中PU含量的增加，共混纳米纤维毡的直径有逐渐减小的趋势。而当PU/PVDF质量比为9∶1时，其纳米纤维毡的纤维直径均匀性较差，可能是由于两者混合后溶液不均匀导致的;当PU/PVDF质量比为7∶3时，所制备的纳米纤维毡直径和孔隙大小、均匀性都较好。

图2 不同共混质量比的PU/PVDF纳米纤维毡的微观形貌

2.2 纳米纤维毡复合材料的吸声性能

图3为PU和PVDF纳米纤维毡复合材料吸声性能曲线。结果显示：在声波频率为250～2 500 Hz的中低频范围内，泡沫板的吸声效果较差，吸声系数在0.1左右;静电纺丝2 h的PU和PVDF纳米纤维毡的吸声效果与普通泡沫板差别不大;随着纺丝时间增加到4 h，PU和PVDF纳米纤维毡复合材料的吸声性能明显增强，其在1 000 Hz左右吸声系数均达到0.5以上，体现了在中低频区域较好的吸声性能。

图3 PU和PVDF纳米纤维毡复合材料的吸声性能

普通泡沫材料孔隙的孔径一般较大，在几十到几百微米不等，而孔隙率低，因此声波在孔隙内部振动不充分，使得含有大孔隙的普通泡沫板在低频区域吸声性能较差。纳米纤维毡由于其纤维尺寸大多为纳米或亚微米级，纤维毡内部孔隙的孔径较小，多为微纳米级贯穿孔，且具有较高的孔隙率，可达80%以上［15-17］。当声波进入纳米纤维毡内部后，可引起孔隙中空气的振动，由于空气的黏滞阻力以及声波与孔壁摩擦和热传导效应而具有良好的中低频吸声效果。

本试验通过改变纺丝时间来控制纳米纤维毡的厚度。当纺丝时间为2 h时，由于纺丝时间较短，纳米纤维毡的厚度较小，均匀性也较差，导致吸声性能低下，显示出吸声效果与普通泡沫板差别不大;而当纺丝时间增加到4 h时，纳米纤维毡厚度增加，声波在其中可进行多次振动、摩擦，从而能更有效地实现吸收［16］。

图4为PU/PVDF纳米纤维毡复合材料吸声性能曲线。PU/PVDF的共混质量比分别为1∶9、3∶7、5∶5、7∶3 和9∶1，采用上述混合溶液静电纺丝4 h(纺丝4 h的纳米纤维毡的厚度约为0.1～0.2 mm)。结果显示，在250～2 500 Hz区域内，不同共混比的PU/PVDF纳米纤维毡复合材料吸声系数较相似，特别是在800～1 600 Hz之间，五种PU/PVDF纳米纤维毡复合材料吸声系数均达到0.3以上，其中PU/PVDF共混质量比为7∶3的纳米纤维毡复合材料吸声系数可达0.7左右。

图4 PU/PVDF纳米纤维毡复合材料吸声性能

图5为PU、PVDF和PU/PVDF三种纳米纤维毡复合材料吸声系数的比较。从图5可以看出，PU/PVDF(7∶3)纳米纤维毡复合材料吸声性能明显优于PU和PVDF纳米纤维毡复合材料。主要体现在250～2 500 Hz区域内，PU/PVDF(质量比7∶3)纳米纤维毡复合材料吸声系数整体大于PU和PVDF纳米纤维毡复合材料;特别是在630～1 600 Hz之间，PU和PVDF纳米纤维毡复合材料吸声系数在0.1～0.5 之间，而 PU/PVDF(质量比 7∶3)纳米纤维毡复合材料吸声系数在0.2～0.7之间。以上数据说明，PU和PVDF两者混合后的纳米纤维毡的吸声性能得到改善。

结合图2中PU/PVDF纳米纤维毡的微观形貌分析得知，当PU/PVDF质量比为7∶3时，共混纳米纤维毡具有良好的形貌特征，即纤维直径较细且均匀性好，纤维毡内孔隙的孔径小且分布较均匀，这些特征赋予了该纳米纤维毡良好的吸声性能。

3 结论

(1)普通多孔泡沫板在250～2 500 Hz中低频区域吸声性能较差，吸声系数在0.1左右;当纺丝时间为4 h，纳米纤维毡厚度在0.1～0.2 mm之间时，纳米纤维毡复合材料在800～1 600 Hz中低频区域具有良好的吸声性能。

(2)PU/PVDF共混纳米纤维毡复合材料的吸声性能明显优于PU和PVDF纳米纤维毡复合材料。在250～2 500 Hz区域内，PU/PVDF(质量比7∶3)纳米纤维毡复合材料吸声系数整体大于 PU和PVDF纳米纤维毡复合材料;特别是在630～1 600 Hz之间，PU和PVDF纳米纤维毡复合材料吸声系数在0.1～0.5之间，而 PU/PVDF(质量比7∶3)纳米纤维毡复合材料吸声系数在0.2～0.7之间，PU和PVDF两者混合后的纳米纤维毡的吸声性能得到改善。

［1］何冬林，郭占成，廖洪强，等.多孔吸声材料的研究进展及发展趋势［J］.材料导报，2012，26(19)：303-306.

［2］李晶，郭秉臣.非织造布吸声材料的现状与发展［J］.非织造布，2007，15(1)：8-13.

［3］罗以喜，奚柏君.非织造降噪复合材料的研究［J］.纺织学报，2004(4)：64-66.

［4］周曦亚，凡波.吸声材料研究的进展［J］.中国陶瓷，2004，40(5)：27.

［5］何琳，朱海潮，邱小军，等.声学理论与工程应用［M］.北京：科学出版社，2008：105-123.

［6］高玲，尚福亮.吸声材料的研究和应用［J］.化工时代，2007，21(2)：65-68.

［7］苏文，李新禹，刘树森.厚度和容重对非织造布吸声材料吸声性能的影响［J］.天津工业大学学报，2009，28(3)：34-36.

［8］ONDARCUHU T，JOACHIM C.Drawing a single nanofibre over hundreds of microns［J］.Europhysics Letters，1998，42(2)：215-220.

［9］MA P X，ZHANG Ruiyun.Synthetic nano-scale fibrous extracellular matrix［J］.Journal of Biomedical Materials Research，1999，46(1)：60-72.

［10］张华.纳米纤维的研制与开发进展［J］.炼油与化工，2010(5)：11-13.

［11］周颖，姚理荣，高强.PU/PVDF共混膜防水透气织物的制备及性能［J］.纺织学报，2014，35(5)：24-29.

［12］周颖，姚理荣，高强.防水透气织物制备及其性能研究［J］.纺织导报，2013(12)：82-85.

［13］ZHOU Yin，YAO Lirong，GAO Qiang.Preparation of PVDF nanofibrous membrane and its waterproof and breathable property［J］.Advanced Materials Research，2013(796)：327-330.

［14］刘鹏辉，杨宜谦，姚京川.多孔吸声材料的吸声特性研究［J］.噪声与振动控制，2011，4(2)：123-126.

［15］邹科，龙云泽，吴佑实.静电纺丝制备纳米纤维的进展及应用［J］.合成纤维工业，2007，30(3)：54-57.

［16］FONG Hao，CHUN I，RENEKER D H.Beaded nanofibers formed during electrospinning［J］.Polymer，2006，47(13)：4789-4797.

［17］DEITEL J M，KLEINMEYER J，HARRIS D，et al.The effect of processing variables on the morphology of electrospun nanofibers and textiles［J］.Polymer，2001，42(1)：261-272.