纳米纤维吸声降噪研究进展

李好义， 许 浩， 陈明军， 杨 涛， 陈晓青， 阎 华， 杨卫民

(1. 北京化工大学 机电工程学院， 北京 100029； 2. 北京化工大学 有机无机复合材料国家重点实验室， 北京 100029； 3. 中国化学纤维工业协会， 北京 100022)

噪声污染是仅次于空气污染的四大污染之一，来源主要有交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声和社会生活噪声。长期暴露在噪声环境下会增加耳聋、糖尿病和心肌梗死的风险。根据声波在传播过程中的反射、吸收等特点，噪声处理方式有吸声、隔声和消声。在吸声领域，根据吸声机制的不同分为多孔材料吸声和共振结构吸声。多孔吸声材料通过多孔结构促进声波的扩散消耗，可有效吸收高频段噪声，但在中低频段吸声性能差甚至不具备吸声性能。穿孔板等共振吸声结构对低频噪声具有优良的吸收效果，但其共振吸声频带较窄，占据空间大。在穿孔板吸声结构空腔内放置多孔吸声材料，可有效拓宽吸声频带[1]。

相比于高频噪声，中低频噪声衰减缓慢，可轻易穿越障碍物的声学特性使其危害更大，处理更加困难。采用纤维细化技术制备出了高比表面积、质轻的纳米纤维，为低频噪声的吸收提供了方法。Chang等[2]制备了具有优良低频吸声性能的轻质纳米纤维，在200～600 Hz频段平均吸声系数高达0.5。研究表明，纳米纤维可明显改善材料中低频段的吸声效果，但目前纳米纤维吸声降噪研究基本处于实验室阶段。为促进纳米纤维在声学领域的发展，本文分析了纳米纤维的吸声降噪原理；归纳了影响纳米纤维吸声性能的影响因素；总结了纳米纤维复合吸声材料的类型；最后指出了纳米纤维吸声材料存在的问题及发展方向。

1 纳米纤维吸声降噪原理

纳米纤维属于多孔吸声材料，具有大量深入材料内部且相互贯通的孔或间隙，有利于声波在材料内部的扩散消耗。图1为多孔材料吸声示意图[3]。对于多孔材料，声波通过孔隙进入材料内部，会激发材料内空气来回运动，与多孔材料壁面的相对运动产生黏滞摩擦，使声能不断转化为热能；声波以纵波形式在空气中传递，具有压缩和膨胀的交替变化特性，不断与材料发生热交换消耗声能。纳米纤维同时具备共振吸声与多孔吸声的能力。

图1 多孔材料吸声示意图Fig.1 Schematic of porous material sound absorption

当吸声材料的固有频率与声波频率一致时，会引发强烈的共振现象，振幅和振动速度达到最大值，声能消耗最大。图2为声波引起的纳米纤维膜振动示意图[4]。Kucukali等[5]通过高速摄像机捕捉到聚乙烯醇(PVA)纳米纤维薄膜与铝箔在不同频率声波下的挠度变化发现，纳米纤维薄膜相对于铝箔具有更低的共振频率与更高的共振峰值。

图2 纳米纤维膜共振示意图Fig.2 Schematic resonance of nanofiber membrane

高频声波振动速度快，引起空气与材料内壁的热交换更快；低频声波振动速度慢，会绕过材料产生低频绕射现象，引起材料内空气与材料间的相对轻微运动，声能消耗不明显，所以常规多孔吸声材料具有良好的高频吸声性能，但中低频吸声能力较差。纳米纤维有高于普通纤维100～10 000倍的比表面积与孔隙率[6]。高比表面积增加了声波与纤维的作用面积，使中低频段声波与纤维表面的碰撞消耗更加容易，从而可提高中低频段的吸声性能。

2 纳米纤维吸声材料的影响因素

纳米纤维是高比表面积的纤维类吸声材料，原材料的种类、纤维直径、纤维密度等因素都会显著影响其吸声性能[7]。

2.1 纳米纤维原材料

表1示出吸声降噪研究中常用的纳米纤维材料。聚偏氟乙烯(PVDF)可将声能转化为电能，进一步促进中低频段的声吸收。Chen等[19]利用该原理制备的纳米发电机可用作多场合的电声传感器。高分子材料弹性越好, 其吸声性能越好[20]。相比于聚丙烯腈(PAN)，聚氨酯(PU)在中低频段吸声性能更好，这可能是PU的高弹性促进了声波与纤维的共振消耗。Zkal等[21]制备了具有夹层结构的新型PU纳米纤维吸声材料，降噪系数高达0.55。

2.2 纤维直径与比表面积

纤维直径由微米级跨越至纳米级，可使其比表面积增大百倍。比表面积的增大可增加声波与纤维的摩擦与热交换面积，从而直接影响纤维的吸声性能。与微米级纤维相比，纤维跨越至纳米级后吸声系数显著提升。若纳米纤维进一步细化，在中低频段的吸声效果会提高，但可使高频段的吸声效果降低[6]，因此，纳米纤维并不是越细其吸声性能就越好。Kalinova[4]通过改变纺丝接收距离制备了平均直径为68～80 nm的PVA纳米纤维发现，纤维直径细化使共振频率向高频方向移动，反而降低中低频吸声效果。JI等[17]研究显示，较粗的纳米纤维吸声性能更好。在未来研究中，有必要对纳米纤维的直径区间进行拓展与细化，进一步明确纤维直径与材料吸声性能的关系，以制备性能更好的吸声材料。

表1 常见纳米纤维的吸声曲线特点Tab.1 Sound absorption curves characteristic of common nanofiber

2.3 纳米纤维膜面密度

面密度变化会改变纳米纤维结构分布，通过影响空气与纤维结构的共振与摩擦最终影响其吸声性能。Kalinova[4]的研究表明，纳米纤维膜的共振频率随着纤维膜面密度的增加而降低。适度提高纤维膜面密度可显著提升材料吸声性能，Kucukali等[22]发现，增加面密度后材料共振明显，高频段的吸声系数显著提升。面密度过大过小都不利于吸声性能的提升甚至会产生相反的效果。若纳米纤维膜面密度过小，对材料的吸声性能影响不显著[13-14]，Avossa等[23]研究表明，随着PVP纳米纤维膜面密度的增加，其共振频率减小，但减小的速度逐渐降低直至不再变化，吸声系数峰值也有所减小。

2.4 纳米纤维空间结构

纳米纤维通常是比较致密的二维平面结构，通过材料改性和工艺创新可制备具有稳定的三维空间结构的纤维体，从而进一步提升其吸声性能。Chang等[2]通过2个极性相反的单针产生带电射流加以向上的热气流辅助制备出柔软、富有弹性、高孔隙率(95%)的三维纳米纤维(见图3)。结果表明，该三维纳米纤维在全频段吸声能力明显优于商业棉，频率为400 Hz时吸声系数达到0.5，频率为800 Hz时吸声系数达到0.95，具有优良的中低频吸声能力。Cao等[24]通过交联技术制备了结构稳定、回弹性好的三维海绵状轻质改性聚苯乙烯(PS)纳米纤维吸声材料(见图4)，其在500～1 000 Hz频段吸声系数明显高于非织造布毡和三聚氰胺泡沫，频率为800 Hz时吸声系数高于0.9。

图3 三维纳米纤维制造过程Fig.3 3-D nanofiber manufacturing process

图4 交联PS纳米纤维回弹性能Fig.4 Resilience performance of cross-linked PS nanofiber

2.5 空腔结构

纳米纤维膜不仅是多孔材料，还能和其他结构形成共振吸声材料来提升其低频吸声能力，在纤维膜与刚性壁面间留有一定厚度的空气层，可形成空腔结构。空腔的厚度影响材料的共振吸声效果，相比于纤维层厚度的增加，更具经济性。有研究表明，空腔深度增加会使吸声系数峰值向低频移动，高频吸声效果降低[11，25]。材料种类的不同，最适宜的空腔深度与空腔带来的吸声增益不同。Liu等[26]研究了空腔深度对PAN、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚酯橡胶(TPEE)纳米纤维吸声系数的影响，其中PAN吸声效果最好，当空腔深度为50 mm时，750 Hz频率的吸声系数高达0.8。

3 纳米纤维复合吸声材料

吸声降噪研究中的纳米纤维几乎全部采用溶液静电纺丝技术制备。该技术工艺简单，可控性好，但生产效率低，制备的纳米纤维膜通常作为表面薄层与其他材料进行复合使用。相比于溶液静电纺丝技术，熔体静电纺丝技术研究较少，但其可实现纳米纤维的绿色高效制备[27]，研究团队已实现500 nm范围内纤维的可控制备[28]。天然纤维、合成纤维等通过与纳米纤维复合可显著提高其中低频段的吸声能力，且复合轻薄纳米层可带来显著的空间和成本优势，使其在航空航天、高铁汽车等应用领域极具潜力。

3.1 纳米纤维与天然纤维复合吸声材料

随着材料制备技术的发展，纳米纤维与常规吸声材料复合可制备出宽频范围内吸声性能优良的复合材料。天然纤维具有绝缘隔热、绿色环保等优点，但是阻燃防潮性能差。大多数天然纤维在高频段吸声性能良好，但在中低频段吸声性能差甚至不具备吸声能力。用于吸声研究的天然纤维有羊毛[29]、麻类[30]等，如表2所示。

表2 纳米纤维复合吸声材料在不同频段的吸声性能Tab.2 Sound absorption performance of nanofiber composite sound-absorbing materials in different frequency ranges

从表2可以看出，纳米纤维层的复合可使天然纤维在500 Hz以上频段具备吸声能力。PA纳米纤维网对羊毛吸声性能的提升体现在1 000 Hz以上频段，对1 000 Hz以下中低频段几乎无提升效果[18]，这可能是制备的纳米纤维网分布松散很难阻隔中低频段的声波。Kucukali等[14]发现，黄麻复合纳米纤维后空气渗透性降低5倍以上，对超过400 Hz频段的吸声系数均有显著提升。稳定的纳米纤维结构为声波的转化吸收提供结构基础。Selvaraj等[9]研究表明，改性PVA纳米纤维对椰壳中低频段吸声性能提升明显优于未改性PVA纳米纤维。虽然改性PVA纳米纤维比表面积更低，但拉伸强度远高于未改性PVA纤维，结构更加稳定，使得纤维对于低频声波共振消耗更加明显。

3.2 纳米纤维与合成纤维复合吸声材料

相比于天然纤维，合成纤维化学性质稳定，可制备更耐用的吸声材料，但其促进了CO2排放，将加剧全球变暖等问题。为降低非织造废料对环境的污染，Lou等[32]回收了旧的聚丙烯和聚酯非织造布并采用热压技术制备出复合吸声材料，研究发现，复合材料厚度为68 mm时，平均吸声系数可达0.72。从表2可以看出，合成纤维与天然纤维均存在中低频段吸声性能差的问题。通过在合成纤维表面复合纳米纤维薄层可改善这一问题，同时可保证材料自身的高频吸声性能。虽然提高厚度或设置空腔结构也可改善材料的中低频吸声性能，但对材料或结构的厚度要求较高，存在材料成本增加、空间浪费严重等问题；而纳米纤维薄层厚度可忽略不计，可大大扩展常规吸声材料的应用范围。

Zkal等[15]研究表明，在单层非织造布表面复合纳米纤维薄层后在全频段的吸声系数与双层非织造布几乎相同，这表明纳米纤维薄层与非织布复合后，在保证吸声性能的同时，可节省近一半空间。此外，在双层非织造布中间复合纳米纤维薄层后，全频段的吸声性能均有提升，且共振频率减小。Kucukali等[22]发现，在聚酯纤维膜前后表面均复合纳米纤维薄层与在其前表面复合纳米纤维薄层的吸声性能相似。

3.3 纳米纤维与泡沫复合吸声材料

泡沫具有大量深入材料内部且相互贯通的开孔[33]，吸声性能良好，应用广泛。其中多孔型聚氨酯泡沫质轻且阻燃性能优异，是目前市场上颇受欢迎的新型声学材料。Bahrambeygi等[12]研究表明，在中低频段，PU纳米纤维对泡沫吸声性能的提升稍好于PAN纳米纤维。但从原料选择角度来看，PAN溶解性与可纺性要好于PU，可作为纳米纤维吸声层的优选材料。

从表2可看出，在250～500 Hz低频段，PVDF纳米纤维膜对泡沫吸声性能提升效果明显优于PAN、PU材料，这源于PVDF材料的特殊压电性能。Wu等[16]通过添加CNTs改善了PVDF纳米纤维膜的压电性能，使复合材料的吸声性能进一步提升。PVDF可将声能转化为电能的特殊性质使其在吸声降噪领域极具潜力。

4 展 望

纳米纤维具有广阔的应用前景，其在吸声降噪领域发展迅速，但仍存在一些问题亟待解决。1)中低频段的吸声性能需进一步提高，通过材料改性或创新工艺制备具有稳定空间结构的纳米纤维是进一步提升其吸声性能的重要途径；2)天然纤维吸声材料绿色环保，但阻燃与防潮性能差，与纳米纤维制备阻燃防潮性能优异的复合吸声材料是拓宽其应用的关键；3)溶液静电纺技术生产效率低、涉及有毒溶剂使用，通过熔体静电纺丝技术有望实现纳米纤维吸声材料的绿色高效制备。