納米纖維吸聲降噪研究進展

李好義， 許 浩， 陳明軍， 楊 濤， 陳曉青， 閻 華， 楊衛民

(1. 北京化工大學 機電工程學院， 北京 100029； 2. 北京化工大學 有機無機復合材料國家重點實驗室， 北京 100029； 3. 中國化學纖維工業協會， 北京 100022)

噪聲污染是僅次于空氣污染的四大污染之一，來源主要有交通噪聲、工業噪聲、建筑施工噪聲和社會生活噪聲。長期暴露在噪聲環境下會增加耳聾、糖尿病和心肌梗死的風險。根據聲波在傳播過程中的反射、吸收等特點，噪聲處理方式有吸聲、隔聲和消聲。在吸聲領域，根據吸聲機制的不同分為多孔材料吸聲和共振結構吸聲。多孔吸聲材料通過多孔結構促進聲波的擴散消耗，可有效吸收高頻段噪聲，但在中低頻段吸聲性能差甚至不具備吸聲性能。穿孔板等共振吸聲結構對低頻噪聲具有優良的吸收效果，但其共振吸聲頻帶較窄，占據空間大。在穿孔板吸聲結構空腔內放置多孔吸聲材料，可有效拓寬吸聲頻帶[1]。

相比于高頻噪聲，中低頻噪聲衰減緩慢，可輕易穿越障礙物的聲學特性使其危害更大，處理更加困難。采用纖維細化技術制備出了高比表面積、質輕的納米纖維，為低頻噪聲的吸收提供了方法。Chang等[2]制備了具有優良低頻吸聲性能的輕質納米纖維，在200～600 Hz頻段平均吸聲系數高達0.5。研究表明，納米纖維可明顯改善材料中低頻段的吸聲效果，但目前納米纖維吸聲降噪研究基本處于實驗室階段。為促進納米纖維在聲學領域的發展，本文分析了納米纖維的吸聲降噪原理；歸納了影響納米纖維吸聲性能的影響因素；總結了納米纖維復合吸聲材料的類型；最后指出了納米纖維吸聲材料存在的問題及發展方向。

1 納米纖維吸聲降噪原理

納米纖維屬于多孔吸聲材料，具有大量深入材料內部且相互貫通的孔或間隙，有利于聲波在材料內部的擴散消耗。圖1為多孔材料吸聲示意圖[3]。對于多孔材料，聲波通過孔隙進入材料內部，會激發材料內空氣來回運動，與多孔材料壁面的相對運動產生黏滯摩擦，使聲能不斷轉化為熱能；聲波以縱波形式在空氣中傳遞，具有壓縮和膨脹的交替變化特性，不斷與材料發生熱交換消耗聲能。納米纖維同時具備共振吸聲與多孔吸聲的能力。

圖1 多孔材料吸聲示意圖Fig.1 Schematic of porous material sound absorption

當吸聲材料的固有頻率與聲波頻率一致時，會引發強烈的共振現象，振幅和振動速度達到最大值，聲能消耗最大。圖2為聲波引起的納米纖維膜振動示意圖[4]。Kucukali等[5]通過高速攝像機捕捉到聚乙烯醇(PVA)納米纖維薄膜與鋁箔在不同頻率聲波下的撓度變化發現，納米纖維薄膜相對于鋁箔具有更低的共振頻率與更高的共振峰值。

圖2 納米纖維膜共振示意圖Fig.2 Schematic resonance of nanofiber membrane

高頻聲波振動速度快，引起空氣與材料內壁的熱交換更快；低頻聲波振動速度慢，會繞過材料產生低頻繞射現象，引起材料內空氣與材料間的相對輕微運動，聲能消耗不明顯，所以常規多孔吸聲材料具有良好的高頻吸聲性能，但中低頻吸聲能力較差。納米纖維有高于普通纖維100～10 000倍的比表面積與孔隙率[6]。高比表面積增加了聲波與纖維的作用面積，使中低頻段聲波與纖維表面的碰撞消耗更加容易，從而可提高中低頻段的吸聲性能。

2 納米纖維吸聲材料的影響因素

納米纖維是高比表面積的纖維類吸聲材料，原材料的種類、纖維直徑、纖維密度等因素都會顯著影響其吸聲性能[7]。

2.1 納米纖維原材料

表1示出吸聲降噪研究中常用的納米纖維材料。聚偏氟乙烯(PVDF)可將聲能轉化為電能，進一步促進中低頻段的聲吸收。Chen等[19]利用該原理制備的納米發電機可用作多場合的電聲傳感器。高分子材料彈性越好, 其吸聲性能越好[20]。相比于聚丙烯腈(PAN)，聚氨酯(PU)在中低頻段吸聲性能更好，這可能是PU的高彈性促進了聲波與纖維的共振消耗。Zkal等[21]制備了具有夾層結構的新型PU納米纖維吸聲材料，降噪系數高達0.55。

2.2 纖維直徑與比表面積

纖維直徑由微米級跨越至納米級，可使其比表面積增大百倍。比表面積的增大可增加聲波與纖維的摩擦與熱交換面積，從而直接影響纖維的吸聲性能。與微米級纖維相比，纖維跨越至納米級后吸聲系數顯著提升。若納米纖維進一步細化，在中低頻段的吸聲效果會提高，但可使高頻段的吸聲效果降低[6]，因此，納米纖維并不是越細其吸聲性能就越好。Kalinova[4]通過改變紡絲接收距離制備了平均直徑為68～80 nm的PVA納米纖維發現，纖維直徑細化使共振頻率向高頻方向移動，反而降低中低頻吸聲效果。JI等[17]研究顯示，較粗的納米纖維吸聲性能更好。在未來研究中，有必要對納米纖維的直徑區間進行拓展與細化，進一步明確纖維直徑與材料吸聲性能的關系，以制備性能更好的吸聲材料。

表1 常見納米纖維的吸聲曲線特點Tab.1 Sound absorption curves characteristic of common nanofiber

2.3 納米纖維膜面密度

面密度變化會改變納米纖維結構分布，通過影響空氣與纖維結構的共振與摩擦最終影響其吸聲性能。Kalinova[4]的研究表明，納米纖維膜的共振頻率隨著纖維膜面密度的增加而降低。適度提高纖維膜面密度可顯著提升材料吸聲性能，Kucukali等[22]發現，增加面密度后材料共振明顯，高頻段的吸聲系數顯著提升。面密度過大過小都不利于吸聲性能的提升甚至會產生相反的效果。若納米纖維膜面密度過小，對材料的吸聲性能影響不顯著[13-14]，Avossa等[23]研究表明，隨著PVP納米纖維膜面密度的增加，其共振頻率減小，但減小的速度逐漸降低直至不再變化，吸聲系數峰值也有所減小。

2.4 納米纖維空間結構

納米纖維通常是比較致密的二維平面結構，通過材料改性和工藝創新可制備具有穩定的三維空間結構的纖維體，從而進一步提升其吸聲性能。Chang等[2]通過2個極性相反的單針產生帶電射流加以向上的熱氣流輔助制備出柔軟、富有彈性、高孔隙率(95%)的三維納米纖維(見圖3)。結果表明，該三維納米纖維在全頻段吸聲能力明顯優于商業棉，頻率為400 Hz時吸聲系數達到0.5，頻率為800 Hz時吸聲系數達到0.95，具有優良的中低頻吸聲能力。Cao等[24]通過交聯技術制備了結構穩定、回彈性好的三維海綿狀輕質改性聚苯乙烯(PS)納米纖維吸聲材料(見圖4)，其在500～1 000 Hz頻段吸聲系數明顯高于非織造布氈和三聚氰胺泡沫，頻率為800 Hz時吸聲系數高于0.9。

圖3 三維納米纖維制造過程Fig.3 3-D nanofiber manufacturing process

圖4 交聯PS納米纖維回彈性能Fig.4 Resilience performance of cross-linked PS nanofiber

2.5 空腔結構

納米纖維膜不僅是多孔材料，還能和其他結構形成共振吸聲材料來提升其低頻吸聲能力，在纖維膜與剛性壁面間留有一定厚度的空氣層，可形成空腔結構。空腔的厚度影響材料的共振吸聲效果，相比于纖維層厚度的增加，更具經濟性。有研究表明，空腔深度增加會使吸聲系數峰值向低頻移動，高頻吸聲效果降低[11，25]。材料種類的不同，最適宜的空腔深度與空腔帶來的吸聲增益不同。Liu等[26]研究了空腔深度對PAN、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)、聚酯橡膠(TPEE)納米纖維吸聲系數的影響，其中PAN吸聲效果最好，當空腔深度為50 mm時，750 Hz頻率的吸聲系數高達0.8。

3 納米纖維復合吸聲材料

吸聲降噪研究中的納米纖維幾乎全部采用溶液靜電紡絲技術制備。該技術工藝簡單，可控性好，但生產效率低，制備的納米纖維膜通常作為表面薄層與其他材料進行復合使用。相比于溶液靜電紡絲技術，熔體靜電紡絲技術研究較少，但其可實現納米纖維的綠色高效制備[27]，研究團隊已實現500 nm范圍內纖維的可控制備[28]。天然纖維、合成纖維等通過與納米纖維復合可顯著提高其中低頻段的吸聲能力，且復合輕薄納米層可帶來顯著的空間和成本優勢，使其在航空航天、高鐵汽車等應用領域極具潛力。

3.1 納米纖維與天然纖維復合吸聲材料

隨著材料制備技術的發展，納米纖維與常規吸聲材料復合可制備出寬頻范圍內吸聲性能優良的復合材料。天然纖維具有絕緣隔熱、綠色環保等優點，但是阻燃防潮性能差。大多數天然纖維在高頻段吸聲性能良好，但在中低頻段吸聲性能差甚至不具備吸聲能力。用于吸聲研究的天然纖維有羊毛[29]、麻類[30]等，如表2所示。

表2 納米纖維復合吸聲材料在不同頻段的吸聲性能Tab.2 Sound absorption performance of nanofiber composite sound-absorbing materials in different frequency ranges

從表2可以看出，納米纖維層的復合可使天然纖維在500 Hz以上頻段具備吸聲能力。PA納米纖維網對羊毛吸聲性能的提升體現在1 000 Hz以上頻段，對1 000 Hz以下中低頻段幾乎無提升效果[18]，這可能是制備的納米纖維網分布松散很難阻隔中低頻段的聲波。Kucukali等[14]發現，黃麻復合納米纖維后空氣滲透性降低5倍以上，對超過400 Hz頻段的吸聲系數均有顯著提升。穩定的納米纖維結構為聲波的轉化吸收提供結構基礎。Selvaraj等[9]研究表明，改性PVA納米纖維對椰殼中低頻段吸聲性能提升明顯優于未改性PVA納米纖維。雖然改性PVA納米纖維比表面積更低，但拉伸強度遠高于未改性PVA纖維，結構更加穩定，使得纖維對于低頻聲波共振消耗更加明顯。

3.2 納米纖維與合成纖維復合吸聲材料

相比于天然纖維，合成纖維化學性質穩定，可制備更耐用的吸聲材料，但其促進了CO2排放，將加劇全球變暖等問題。為降低非織造廢料對環境的污染，Lou等[32]回收了舊的聚丙烯和聚酯非織造布并采用熱壓技術制備出復合吸聲材料，研究發現，復合材料厚度為68 mm時，平均吸聲系數可達0.72。從表2可以看出，合成纖維與天然纖維均存在中低頻段吸聲性能差的問題。通過在合成纖維表面復合納米纖維薄層可改善這一問題，同時可保證材料自身的高頻吸聲性能。雖然提高厚度或設置空腔結構也可改善材料的中低頻吸聲性能，但對材料或結構的厚度要求較高，存在材料成本增加、空間浪費嚴重等問題；而納米纖維薄層厚度可忽略不計，可大大擴展常規吸聲材料的應用范圍。

Zkal等[15]研究表明，在單層非織造布表面復合納米纖維薄層后在全頻段的吸聲系數與雙層非織造布幾乎相同，這表明納米纖維薄層與非織布復合后，在保證吸聲性能的同時，可節省近一半空間。此外，在雙層非織造布中間復合納米纖維薄層后，全頻段的吸聲性能均有提升，且共振頻率減小。Kucukali等[22]發現，在聚酯纖維膜前后表面均復合納米纖維薄層與在其前表面復合納米纖維薄層的吸聲性能相似。

3.3 納米纖維與泡沫復合吸聲材料

泡沫具有大量深入材料內部且相互貫通的開孔[33]，吸聲性能良好，應用廣泛。其中多孔型聚氨酯泡沫質輕且阻燃性能優異，是目前市場上頗受歡迎的新型聲學材料。Bahrambeygi等[12]研究表明，在中低頻段，PU納米纖維對泡沫吸聲性能的提升稍好于PAN納米纖維。但從原料選擇角度來看，PAN溶解性與可紡性要好于PU，可作為納米纖維吸聲層的優選材料。

從表2可看出，在250～500 Hz低頻段，PVDF納米纖維膜對泡沫吸聲性能提升效果明顯優于PAN、PU材料，這源于PVDF材料的特殊壓電性能。Wu等[16]通過添加CNTs改善了PVDF納米纖維膜的壓電性能，使復合材料的吸聲性能進一步提升。PVDF可將聲能轉化為電能的特殊性質使其在吸聲降噪領域極具潛力。

4 展 望

納米纖維具有廣闊的應用前景，其在吸聲降噪領域發展迅速，但仍存在一些問題亟待解決。1)中低頻段的吸聲性能需進一步提高，通過材料改性或創新工藝制備具有穩定空間結構的納米纖維是進一步提升其吸聲性能的重要途徑；2)天然纖維吸聲材料綠色環保，但阻燃與防潮性能差，與納米纖維制備阻燃防潮性能優異的復合吸聲材料是拓寬其應用的關鍵；3)溶液靜電紡技術生產效率低、涉及有毒溶劑使用，通過熔體靜電紡絲技術有望實現納米纖維吸聲材料的綠色高效制備。