纳米材料在吸声材料上的应用研究

彭 敏，赵晓明

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)



纳米材料在吸声材料上的应用研究

彭 敏，赵晓明

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

传统的多孔吸声材料在中高频段有着良好的吸声性能，但在低频段的吸声效果却不佳。介绍了多孔吸声材料的吸声机理，吸声材料的的种类及发展趋势，重点介绍了纳米材料与多孔吸声材料复合后对其吸声性能的影响，特别是对低频段吸声性能的提高，并对吸声材料的发展趋势做了展望。

噪音 吸声材料 纳米材料 静电纺丝

1 噪音

1.1 噪音的定义

人类浸沐在声音的汪洋之中，并通过声音与他人交流、获取信息，并依赖声音从事各种社会实践活动。

同样的声音在不同的场合下给人不同的感受，对于演唱会上的观众来说歌者的声音是最美妙的音乐，但对于准备入睡的人来说，歌者的声音就是令人厌烦的噪音。因此，从心理学角度来说，噪音可定义为：人们不需要的声音；从物理学角度来说，噪音可定义为：由许多不同频率和强度的声波，无规则且杂乱无章地组合而成的声音[1]。所以，一切可听声都可能被认为是噪音。

1.2 噪音的危害

噪音不止会对人的正常工作和生活造成影响，危害人体的健康，还会对噪音源周围的动物及建筑物造成危害。有研究表明，噪音的危害是多方面的。

据研究表明，人在较高的噪音环境下停留一段时间，其听力就会出现下降的情况，这个时候如果人能在短时间内及时的从较高的噪音环境回到一个较为安静或分贝在正常范围内的环境下，一段时间后其听力有可能会恢复到正常状态，但如果人长期在一个较强噪声的环境下进行工作或者生活[2]，由于长期受到噪音的刺激，其听觉系统就会受到损害，并且这种损害导致的听力下降时永久性的[3]，给人的正常生活带来不便。

在室外环境下，噪音的主要来源是建筑施工及交通噪音如汽车的车鸣声等，这些声音轻则会让人感到心情急躁、易怒、耳鸣、注意力难以集中，严重的甚至有可能会引发心脏病、高血压等疾病，危害到人们的生命安全。除室外环境会产生噪音外，室内环境中也会产生噪音影响人们的正常生活，据专家研究证明，家庭室内噪声是造成儿童聋哑的主要原因[4]。

噪音除了会对人的生活和健康造成影响外，也会多周围的建筑物及一些精密仪器造成危害，强噪音可以使得门窗破裂，墙体出现裂痕，严重的甚至能使得房屋倒塌。

目前，噪音已不再是一个可以忽视的小问题，它已严重的影响到了人们的工作以及生活，成为了当代世界性的问题[5]。并且随着工业的不断发展，车辆数量的不断增加、城市建设施工等，噪声污染的问题会更加严峻[6]，因此研究出有着高吸声性能的吸声材料，对噪声污染进行有效的治理是非常迫切及有必要的。

2 声音

要对噪音污染进行治理，首先需要了解声音的产生、传播途径，以及吸声材料的定义等。

2.1 声音的产生与传播

所有的声音都是由于物体的振动而产生的，这些振动的物体称为声源[7]，声源并不一定都是固体，它也可以是液体、气体如海浪声等；声音的传播是需要介质的。声音在传播的过程中会遇到不同的“障碍物”，并发生声音的反射、折射、透射及衍射等现象，使得声波的能量发生变化[7-8].。

2.2 吸声材料

当声波通过某种介质或入射到该介质的分界面上时声能减少的过程称为吸声，任何的材料都或多或少有一定的吸声性能[9]，通常将平均吸声系数超过0.2的材料称为吸声材料[7,10]。其中，吸声系数是当声波入射到某一介质材料表面时，材料所吸收的声波能量占总入射声波能量的百分比[11]。它是评定一个材料吸声性能的主要指标，吸声系数越大，说明该材料的吸声效果就越好。

吸声材料通常分为多孔吸声材料[12]、共振吸声材料及特殊吸声材料三类[13]。在本文中主要研究纺织类的多孔性吸声材料的发展现状及进展，特别是纳米纤维材料对吸声材料的影响。

在纺织类吸声隔声材料的原材料选择上，经历了一下几个阶段：①天然纤维：早期人们通常选择天然纤维作为吸声材料的原材料，如棉、麻、毛等，因为由这一类的纤维制成的吸声材料安全环保，能在自然界中自然分解，不会对环境造成危害，不仅在中高频范围类有较好的吸声效果，并且有着装饰的效果，如室内的毛毯、窗帘、汽车内饰等，但这一类的吸声材料其吸声效果并不理想，并且其防火、抗酸碱、抗潮湿能力较差，并且易老化、易腐蚀，在使用场合上受到了较大的限制，特别是在室外环境下不宜长期使用。②无机纤维:与天然纤维相比，无机纤维如玻璃纤维、玄武岩纤维等通常都具有不易燃、不易蛀虫、不易老化、不易腐蚀、成本较为低廉、制品较为轻薄等优点，但无机纤维虽然强度高但性脆，容易在加工或使用的过程中断裂，造成粉尘，污染环境。③金属纤维：金属纤维不仅具有无机纤维强度高，不易燃、耐腐蚀等优点，并且耐高温，研究表明，有金属纤维制成的吸声材料在高温下仍然具有很好的吸声效果，是一种较为安全环保的吸声隔声原材料，但其成本较高，无法满足消声器价格便宜、经久耐用的要求，因此除了运用在一些特殊场合，很难批量的生产。④合成纤维：合成纤维如聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维等[14]具有成本不高、易加工、化学性质稳定等优点，属于较健康环保的纤维材料，是近几年比较常见的研究方向，但就目前而言，以合成纤维为原料加工为性能良好的吸声隔声材料的技术仍不是十分成熟，如何通过处理提高其在不同频率段的吸声隔声性能是未来研究的重点。

通常传统的吸声隔声材料如有天然纤维、无机纤维等制成的吸声隔声材料，都具有在中高频段的吸声效果较好，但在低频段的吸声效果却并不理想的特点，而解决这一问题传统的方法是增加吸声隔声材料的厚度使得其吸声频率向低频移动，但这种方法不但会使成本增加、造成资源的浪费，而且会使得材料的变得笨重，使其在使用的场合上受到限制。因此，如何在不浪费资源的情况下，制出轻便且在低频段有较好吸声隔声性能的材料成为了近几年研究的热点。近几年研究较多的方向之一即利用纳米技术制备出具有良好吸声性能特别是在低频段有较好吸声性能的吸声隔声材料。

3 纳米材料

纳米材料广义的定义为：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度，即1～100nm的范围[15]。如果按纳米材料的维数分类可以将其分为三类：①零维纳米材料，是指该材料在空间三个维度上尺寸均为纳米尺度，如纳米颗粒，原子团簇等；②一维纳米材料，是指该材料在空间的两个维度上尺寸为纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；③二维纳米材料，是指在空间上只有一个维度上尺寸为纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等，由静电纺丝制得的纳米纤维组成的无纺布就是一种二维纳米材料[16]。

近几年来，很多纳米材料在吸声隔声材料上都有不同的研究，主要分为以下几种：①纳米纤维，即将纳米纤维制成纳米纤维毡或纳米纤维薄膜，然后与纺织类的吸声材料进行复合，从而起到增强吸声材料吸声性能的作用；②纳米颗粒，即将纳米粒子加入纺丝液制备出含有纳米粒子的纤维或通过后整理阶段将纳米粒子整理到织物上，使其吸声性能得到提高。

3.1 纳米纤维

在对纤维及其制品的研究中发现，当纤维细化其在某些方面的性能会得到大幅的提升，而如何使纤维细化也成为了一个重要的研究方向。而纳米技术的出现，为其带来了进一步的发展。目前，对纳米纤维性能的研究已成为一个重要的研究热点，并且由于纳米纤维具有很多优良的特性，使其在电子、军工、航空、生物医学、纺织等多个领域都有着很好的运用，纳米技术的出现与发展为提高传统产业提供了新思路。

3.1.1 纳米纤维的定义

纳米纤维在狭义上通常是指纳米尺度的纤维，一般指纤维直径为1～100nm的纤维，但广义上也将含有纳米材料的，如将纳米微粒填充到纤维中[17]，根据实际需要填充具有不同性能的纳米微粒，可以制备出不同性能的纤维，如防电磁辐射纤维、抗菌防臭纤维、阻燃纤维等各种具有不同功能纤维。

3.1.2 静电纺丝

静电纺丝是目前生产纳米纤维最为广泛也是最重要的方法之一，它是将带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形，然后经过溶剂的蒸发或熔体的冷却而固化，得到纤维状的物质[18]。由静电纺丝所得的纤维其最大的特点就是纤维的直径很细，通常为纳米级别，而由这些这种纺丝方法所得的纤维制成的材料是一种具有该纳米纤维的特性的多孔纤维材料。

3.1.3 纳米纤维在吸声材料上的研究进展

纳米纤维材料以其纤维直径小、比表面积大等特点[19]逐渐在噪声控制方面受到关注。研究表明[20-21]，纳米纤维膜具有很好的吸声效果，特别是其在低频段的吸声性能优良，其吸声原理主要是：当声波进入到材料中时，声波会与纳米纤维薄膜中的微孔进行摩擦，以及纤维之间的相互作用与膜的共振作用都会对声波的能量造成损耗，从而起到吸声的效果。但由纳米纤维制成的纳米纤维毡或纳米纤维薄膜通常是很薄的，单独使用时通常不具备好的吸声效果，因此通常是将纳米纤维薄膜或纳米纤维毡与其他纤维性吸声材料进行复合，以改善其吸声效果。

研究表明，有纳米材料与多孔吸声材料复合的纳米吸声复合材料的吸声性会受到很多因素的影响，其吸声性能与其纺丝液的制备参数、厚度、膜的面密度、是否有空腔及空腔的深度、空腔中是否存在填充物等都有一定的关系。

(1)静电纺丝的参数

目前对于纳米纤维的制备，最常用的方法是静电纺丝法，静电纺丝的参数的不同会直接影响到纳米纤维毡或纳米纤维薄膜的吸声性能，从而影响到该纳米吸声复合材料的吸声效果。目前影响其吸声性能的参数主要有：①不同的纺丝液浓度与质量比。在进行纳米纤维纺制的过程中，当电压与接收距离保持不变的情况下，纺丝液的浓度以及溶液的混合质量比的不同，会对所纺的纳米纤维的直径及均匀性等造成影响[22-23]，进而影响到纳米纤维毡的性能及其孔隙率，造成其吸声性能的差异。因此在实验过程，根据具体情况确定最佳的纺丝参数，是很有必要的。②纺丝时间。纳米纤维毡或纳米纤维薄膜的厚度与纺丝的时间直接相关。当纳米纤维毡太薄时，其吸声效果并不明显，只有当其达到一定厚度时，其吸声效果开始显现，并且在一定的范围内，其吸声效果随着厚度的增加而不断增大。

2014年邹亚玲等[24]人在对纳米纤维毡复合材料的吸声性能进行研究时发现，将 PU 和 PVDF 溶液分别以不同的质量比配制成PU/PVDF 共混溶液，其中其质量比分别为1∶9、3∶7、5∶5、7∶3和 9∶1，测试结果表明，当PU/PVDF的质量比为9∶1时，其纳米纤维毡的纤维直径均匀性较差，而当PU/PVDF 质量比为 7∶3时，所制备的纳米纤维毡直径和孔隙[25]大小、均匀性都较好，并且当PU/PVDF共混质量比为 7∶3时，有该纺丝液纺丝所制得的纳米纤维毡复合材料的吸声系数可达 0.7左右，明显高于其他四种质量比纺丝液所制得的纳米纤维毡的吸声系数，说明溶液的混纺质量比会对其纳米纤维毡的吸声系数造成影响。

当纺丝时间较短(2h)时，其吸声效果并未得到明显的提高，而当纺丝时间增加到4h时，在250Hz～2500Hz范围内吸声系数仅为0.1左右的泡沫板，再与纳米纤维复合后其吸声性能明显得到了增强，并且在1000Hz左右吸声系数均达到0.5以上，说明在中低频范围内，该纳米纤维毡复合材料拥有良好的吸声性能。

(2)空腔

在纳米纤维膜后添加空腔能有效的提升吸声复合材料的吸声效果，特别是对其低频的吸声性能影响很大，在一定的范围内，吸声材料的低频吸声系数会随着空腔深度的增大而提高，这是因为增加空腔相当于是增加了该材料的厚度和密度。同样是否在空腔中填充多孔材料也会对吸声材料的吸声性能造成影响，在纳米薄膜后的空腔中添加多孔材料会使其吸声性能得到了明显的提高，这是因为当声波进入材料时，所添加的多孔介质中的纤维、空气能与声波之间产生振动，并产生摩擦，从而起到能量消耗的作用。

2014年贾巍等[22]人对聚氨酯静电纺纳米纤维膜进行了纺制，并通过改变其相关参数对其吸声性能的影响进行了研究，发现膜的面密度、厚度、是否有空腔及空腔的深度及空腔中是否存在填充物等都会对其吸声性能造成影响，测试发现在一定范围内，当聚氨酯纳米纤维膜的面密度及空腔深度增加时，其共振频率会有所下降，即其吸声的频率段向低频方向移动；当膜后没有空腔时，该聚氨酯纳米纤维膜的吸声系数很低，基本没有起到吸声的效果，吸声系数在0.1以下，而在一定范围内，当增加纳米纤维膜后空腔的深度，其膜的吸声系数得到了明显的提高；但如果在膜后空腔中填充具有蜂窝结构多孔材料时其吸声效果会增加得更为显著，该实验中将厚度为10mm的非织造材料填充在空腔中，与聚氨酯纳米纤维膜形成复合吸声材料多孔材料的加入使得该样品的吸声频率向低频方向移动，并且在未添加填充物时其最大吸声系数在0.6左右，而添加后其最大吸声系数可达到0.9以上，说明在空腔中添加多孔材料会使其吸声性能得到了明显的提高，这是因为当声波进入材料时，多孔介质能够起到能量消耗的作用，另一方面，在中低频的范围内，表面膜层因为很轻薄，基本没有增加多孔材料的厚度，但却能增强多孔材料的吸声性能特别是低频段的吸声效果，并且表面的膜层可以对该吸声材料的表面起到保护的作用，因此将纳米材料与多孔吸声材料进行复合的方式是有效的。

(3)其他因素

除上述因素外，环境的温湿度及后期对材料的整理、改性都会对材料的吸声性能造成影响。

2013年翟彤等[26]人对纳米碳纤维/聚(氨酯-酰亚胺)复合泡沫的进行制备并且对其吸声性能进行了研究，实验发现，添加碳纳米纤维后能提高该吸声材料的吸声系数，当频率范围为125Hz～4000Hz时，用阻抗管法进行测试，添加碳纳米纤维后样品的吸声性能得到了提高，其平均吸声系数从0.28上升到0.36，而在使用γ射线对该样品进行辐照后，经测试发现其吸声系数为0.39，与为处理的相比得到了提高，说明γ射线辐照对材料的吸声性能存在一定影响。

3.2 纳米粒子

纳米粒子具有较大的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力，并且随着纳米粒子的粒径减少，其效果急剧增大[27]。纳米微粒由于尺寸很小，使得它与同成分的普通物质相比拥有很多特别的性质，如小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等，这也使得纳米粒子在光、电、热、磁等方面得到了广泛的应用[28]。近年来，有研究人员提出将纳米粒子应用于吸声领域，提高吸声材料的吸声效果。

与普通粒子相比，纳米粒子具有很大的比表面积且具有小尺寸效应，使得它们对外部声音更为敏感[29]，当声音进入材料，材料内多相、多界面结构以及相当于无数毛细管的粒子间细微的孔隙及纳米粒子之间会产生激烈运动使得其摩擦力增大，声波的能量则在相界面或纳米粒子的界面处耗散，起到吸声的作用。

目前，聚合物/纳米粒子复合材料已成功地应用于微波吸收材料，美国海军实验室便以多种超微粒子的高分子复合材料制成隔音材料,当这种隔音材料仅6cm时便可以相当于l英尺厚的混凝土的隔音效果[29]。

文庆珍等人对聚氨醋/纳米氧化锆复合材料的吸声性能及复合后其他相关性能进行了测试与研究,研究发现，与纯聚氨酯材料相比，含有5%的纳米氧化锆的聚氨醋/纳米氧化锆复合材料的吸声系数明显得到了提高，特别是对于低频段其增加尤为显著，这是因为纳米氧化锆的加入使得纳米粒子间细微的孔隙及超微粒子之间激烈运动增大,其内摩擦力增加。研究表明，纳米颗粒的加入能够有效地提升复合材料的吸声性能。

3.3 碳纳米管

作为一维的纳米材料，碳纳米管重量轻，六边形结构连接完美，并且与其它的纳米材料相似，具有许多独特的物理和化学性能[30]。

据研究表明，使用碳纳米管对微穿孔板的表面进行修饰可以使得其吸声性能得到一定的改善，这是因为碳纳米管对微孔板的表面修饰不仅引入了外部声质量抗拒，还引入了碳纳米管与微孔板界面的摩擦振动作用等辅助吸声机制[23]，从而改善了微穿孔板的吸声性能。

2014年钱玉洁等[31]人对单壁碳纳米管对不同材料的微穿孔板吸声体的吸声性能的影响进行了研究，研究表明，当经过表面修饰后，其吸声性能得到了显著的提高，特别是在低频段内其材料的吸声性能提升明显。吸声性能的具体改善的程度与微孔板的材料有关。在频率大约为300HZ时，修饰前的环氧树脂板的最大吸声系数为0.214，而进行修饰后的复合环氧树脂板其吸声系数高达0.92，说明碳纳米管的加入有效的提升了该材料的吸声性能，特别是在低频段的吸声性能。

4 纳米材料在吸声材料上的应用发展趋势

随着噪声污染的日益严重，除了在声源处较少噪音，开发出好的吸声材料，在噪音传播的过程中减少其危害是迫在眉睫的，传统的多孔材料虽然在声波中高频区吸声效果好，但在低频区吸声效果不理想，想要增强低频吸声性能，只能增加其厚度，但这种方法会使得吸声材料变得厚重，占地面积大，使得使用的范围受到很大的局限性，并且增大厚度，会对材料过多的浪费，增大成本，因此寻找新的改善方法是很重要的，纳米材料不仅能弥补传统多孔吸声材料在低频区吸声效果差的缺陷，并且耗材少，材料较为轻薄。随着纳米技术的不断发展，纳米材料的技术的不断提高，材料价格的下降，将纳米材料与其他多孔材料复合制成纳米复合吸声材料将成为一大趋势。

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Application of Nanomaterial in Sound Absorption Material

Pengmin,ZHAOXiao-ming

(College of Textile,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387)

The traditional porous absorption material has good sound absorption performance at high frequencies and poor performance at low frequencies. The sound absorption mechanism of porous absorption material,the types and development tendency of sound absorption material were introduced,the influence of composite material with nanomaterial and porous absorption material on sound absorption performance was mainly discussed,especially for the improvement of performance of low frequency sound absorption. And the development tendency of sound absorption material was put forward.

noise sound absorption material nanomaterial electrostatic spinning

2016-12-16

国家自然科学基金项目(51206122)

彭敏(1993-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织材料的吸声隔声机理。

赵晓明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

TS102

A

1008-5580(2017)02-0232-06