納米纖維氈復合材料制備及其吸聲性能研究

鄒亞玲 石 琳 周 穎 姚理榮

(南通大學紡織服裝學院，南通，226019)

噪聲污染已成為世界性的問題，同水污染和大氣污染一起被列為全球三大污染［1-3］。對噪聲的防治措施主要是控制聲源和采用吸聲材料［4-7］。目前廣泛使用的傳統吸聲材料在高頻段吸聲效果好，在低頻段吸聲效果差。雖然通過增加材料厚度可以將吸聲最佳聲頻向低頻方向移動，但存在資源浪費、材料結構笨重等局限。納米纖維氈憑借其對低頻噪聲良好的吸收能力彌補了傳統吸聲材料在低頻區吸收能力不足的缺陷，并且具有耗材少、質量輕等優點［8-10］。

本文以二甲基甲酰胺(DMF)/丙酮混合溶劑分別溶解聚氨酯(PU)和聚偏氟乙烯(PVDF)制備靜電紡絲溶液，采用高壓靜電紡絲技術分別將PU、PVDF和PU/PVDF共混三種紡絲液噴紡于多孔泡沫板表面，制成納米纖維氈復合材料，并測試了復合材料的吸聲性能。

1 試驗部分

1.1 材料與試劑

材料：PU顆粒、PVDF粉末，80℃下烘干備用;泡沫板，厚度2 mm。

試劑：DMF、丙酮，均為分析純。

1.2 試驗設備

Y802A型八籃恒溫烘箱，常州紡織儀器廠;

BS124S型電子天平，賽多利斯科學儀器有限公司;

KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡，北京中科科儀技術發展有限責任公司;

HL-2高壓直流電源，上海激光電源設備有限公司;

HJ-2恒溫磁力攪拌器，金壇市城東新瑞儀器有限公司;

SW422型阻抗管測試系統，北京聲望技術有限公司;

注射器，自制滾筒接受裝置。

1.3 樣品制備

根據前期試驗［11-13］，選取 DMF/丙酮作為溶解PU和PVDF的溶劑(DMF/丙酮體積比為4∶6)，當紡絲液的PU和PVDF質量分數為14%時，紡絲液性質穩定。PU和 PVDF分別在 DMF/丙酮中于80℃下攪拌溶解;再將PU和PVDF溶液分別按1∶9、3∶7、5∶5、7∶3 和 9∶1 的質量比混合，再于 80 ℃下攪拌均勻，制得PU/PVDF共混溶液，備用。

將所制備的質量分數為14%的PU、PVDF紡絲液和PU/PVDF共混溶液分別吸入注射器中，置于微量泵上。注射器針頭內徑 0.5 mm，流量1 mL/h，紡絲電壓14 kV，接收距離10 cm，使用滾筒接收裝置，于泡沫板表面直接噴射不同厚度的納米纖維氈。

1.4 形貌及吸聲性能測試

1.4.1 納米纖維氈微觀形貌表征

將所制備的納米纖維氈剪樣噴金后于掃描電子顯微鏡下觀察形貌。

1.4.2 吸聲性能測試

按照GB/T18696.2—2002《聲學阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量第2部分：傳遞函數法》測定納米纖維氈復合材料吸聲性能。測量中低頻250～2 500 Hz之間的吸聲系數，測3次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 納米纖維氈微觀形貌

圖1為PU和PVDF納米纖維氈的微觀形貌。前期研究［11-12］已確定，在紡絲電壓和接收距離一定的條件下制備PU和PVDF納米纖維氈時，紡絲液濃度和溶劑配比是影響納米纖維形貌及性能的主要因素。研究發現，當混合溶劑DMF/丙酮體積比為4∶6、紡絲液的PU和PVDF質量分數為14%時，PU和PVDF納米纖維氈的形貌較好，即納米纖維氈中無珠塊狀等缺陷，納米纖維直徑較均勻，如圖1所示。

圖1 納米纖維氈微觀形貌

圖2為PU/PVDF共混納米纖維氈的微觀形貌。其中，混合溶劑DMF/丙酮體積比為4∶6，PU和PVDF溶液質量分數均為14%，PU和PVDF溶液的混合質量比分別為 1∶9、3∶7、5∶5、7∶3 和 9∶1。圖2顯示：隨兩者混合比的改變，PU/PVDF納米纖維氈的形貌變化不大，都沒有珠塊狀缺陷;主要區別表現在納米纖維直徑的大小及均勻性不同［13］。纖維直徑和均勻性將影響納米纖維氈的強度和孔隙率，這也是影響吸聲性能的主要影響因素［14］。隨著PU/PVDF共混物中PU含量的增加，共混納米纖維氈的直徑有逐漸減小的趨勢。而當PU/PVDF質量比為9∶1時，其納米纖維氈的纖維直徑均勻性較差，可能是由于兩者混合后溶液不均勻導致的;當PU/PVDF質量比為7∶3時，所制備的納米纖維氈直徑和孔隙大小、均勻性都較好。

圖2 不同共混質量比的PU/PVDF納米纖維氈的微觀形貌

2.2 納米纖維氈復合材料的吸聲性能

圖3為PU和PVDF納米纖維氈復合材料吸聲性能曲線。結果顯示：在聲波頻率為250～2 500 Hz的中低頻范圍內，泡沫板的吸聲效果較差，吸聲系數在0.1左右;靜電紡絲2 h的PU和PVDF納米纖維氈的吸聲效果與普通泡沫板差別不大;隨著紡絲時間增加到4 h，PU和PVDF納米纖維氈復合材料的吸聲性能明顯增強，其在1 000 Hz左右吸聲系數均達到0.5以上，體現了在中低頻區域較好的吸聲性能。

圖3 PU和PVDF納米纖維氈復合材料的吸聲性能

普通泡沫材料孔隙的孔徑一般較大，在幾十到幾百微米不等，而孔隙率低，因此聲波在孔隙內部振動不充分，使得含有大孔隙的普通泡沫板在低頻區域吸聲性能較差。納米纖維氈由于其纖維尺寸大多為納米或亞微米級，纖維氈內部孔隙的孔徑較小，多為微納米級貫穿孔，且具有較高的孔隙率，可達80%以上［15-17］。當聲波進入納米纖維氈內部后，可引起孔隙中空氣的振動，由于空氣的黏滯阻力以及聲波與孔壁摩擦和熱傳導效應而具有良好的中低頻吸聲效果。

本試驗通過改變紡絲時間來控制納米纖維氈的厚度。當紡絲時間為2 h時，由于紡絲時間較短，納米纖維氈的厚度較小，均勻性也較差，導致吸聲性能低下，顯示出吸聲效果與普通泡沫板差別不大;而當紡絲時間增加到4 h時，納米纖維氈厚度增加，聲波在其中可進行多次振動、摩擦，從而能更有效地實現吸收［16］。

圖4為PU/PVDF納米纖維氈復合材料吸聲性能曲線。PU/PVDF的共混質量比分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3 和9∶1，采用上述混合溶液靜電紡絲4 h(紡絲4 h的納米纖維氈的厚度約為0.1～0.2 mm)。結果顯示，在250～2 500 Hz區域內，不同共混比的PU/PVDF納米纖維氈復合材料吸聲系數較相似，特別是在800～1 600 Hz之間，五種PU/PVDF納米纖維氈復合材料吸聲系數均達到0.3以上，其中PU/PVDF共混質量比為7∶3的納米纖維氈復合材料吸聲系數可達0.7左右。

圖4 PU/PVDF納米纖維氈復合材料吸聲性能

圖5為PU、PVDF和PU/PVDF三種納米纖維氈復合材料吸聲系數的比較。從圖5可以看出，PU/PVDF(7∶3)納米纖維氈復合材料吸聲性能明顯優于PU和PVDF納米纖維氈復合材料。主要體現在250～2 500 Hz區域內，PU/PVDF(質量比7∶3)納米纖維氈復合材料吸聲系數整體大于PU和PVDF納米纖維氈復合材料;特別是在630～1 600 Hz之間，PU和PVDF納米纖維氈復合材料吸聲系數在0.1～0.5 之間，而 PU/PVDF(質量比 7∶3)納米纖維氈復合材料吸聲系數在0.2～0.7之間。以上數據說明，PU和PVDF兩者混合后的納米纖維氈的吸聲性能得到改善。

結合圖2中PU/PVDF納米纖維氈的微觀形貌分析得知，當PU/PVDF質量比為7∶3時，共混納米纖維氈具有良好的形貌特征，即纖維直徑較細且均勻性好，纖維氈內孔隙的孔徑小且分布較均勻，這些特征賦予了該納米纖維氈良好的吸聲性能。

3 結論

(1)普通多孔泡沫板在250～2 500 Hz中低頻區域吸聲性能較差，吸聲系數在0.1左右;當紡絲時間為4 h，納米纖維氈厚度在0.1～0.2 mm之間時，納米纖維氈復合材料在800～1 600 Hz中低頻區域具有良好的吸聲性能。

(2)PU/PVDF共混納米纖維氈復合材料的吸聲性能明顯優于PU和PVDF納米纖維氈復合材料。在250～2 500 Hz區域內，PU/PVDF(質量比7∶3)納米纖維氈復合材料吸聲系數整體大于 PU和PVDF納米纖維氈復合材料;特別是在630～1 600 Hz之間，PU和PVDF納米纖維氈復合材料吸聲系數在0.1～0.5之間，而 PU/PVDF(質量比7∶3)納米纖維氈復合材料吸聲系數在0.2～0.7之間，PU和PVDF兩者混合后的納米纖維氈的吸聲性能得到改善。

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