納米纖維氈復(fù)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(xué)紡織服裝學(xué)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(tǒng)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(fèi)、材料結(jié)構(gòu)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(bǔ)了傳統(tǒng)吸聲材料在低頻區(qū)吸收能力不足的缺陷，并且具有耗材少、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)［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(shù)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(fù)合材料，并測試了復(fù)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(shè)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(xué)儀器有限公司;

KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡，北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司;

HL-2高壓直流電源，上海激光電源設(shè)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(tǒng)，北京聲望技術(shù)有限公司;

注射器，自制滾筒接受裝置。

1.3 樣品制備

根據(jù)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(dāng)紡絲液的PU和PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時，紡絲液性質(zhì)穩(wěn)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(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(nèi)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(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量第2部分：傳遞函數(shù)法》測定納米纖維氈復(fù)合材料吸聲性能。測量中低頻250～2 500 Hz之間的吸聲系數(shù)，測3次，取平均值。

2 結(jié)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合溶劑DMF/丙酮體積比為4∶6、紡絲液的PU和PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)均為14%，PU和PVDF溶液的混合質(zhì)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(qū)別表現(xiàn)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(qiáng)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(dāng)PU/PVDF質(zhì)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?qū)е碌?當(dāng)PU/PVDF質(zhì)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(zhì)量比的PU/PVDF納米纖維氈的微觀形貌

2.2 納米纖維氈復(fù)合材料的吸聲性能

圖3為PU和PVDF納米纖維氈復(fù)合材料吸聲性能曲線。結(jié)果顯示：在聲波頻率為250～2 500 Hz的中低頻范圍內(nèi)，泡沫板的吸聲效果較差，吸聲系數(shù)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(fù)合材料的吸聲性能明顯增強(qiáng)，其在1 000 Hz左右吸聲系數(shù)均達(dá)到0.5以上，體現(xiàn)了在中低頻區(qū)域較好的吸聲性能。

圖3 PU和PVDF納米纖維氈復(fù)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(nèi)部振動不充分，使得含有大孔隙的普通泡沫板在低頻區(qū)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(nèi)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(dá)80%以上［15-17］。當(dāng)聲波進(jìn)入納米纖維氈內(nèi)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(dǎo)效應(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(jìn)行多次振動、摩擦，從而能更有效地實現(xiàn)吸收［16］。

圖4為PU/PVDF納米纖維氈復(fù)合材料吸聲性能曲線。PU/PVDF的共混質(zhì)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(jié)果顯示，在250～2 500 Hz區(qū)域內(nèi)，不同共混比的PU/PVDF納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)較相似，特別是在800～1 600 Hz之間，五種PU/PVDF納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)均達(dá)到0.3以上，其中PU/PVDF共混質(zhì)量比為7∶3的納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)可達(dá)0.7左右。

圖4 PU/PVDF納米纖維氈復(fù)合材料吸聲性能

圖5為PU、PVDF和PU/PVDF三種納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)的比較。從圖5可以看出，PU/PVDF(7∶3)納米纖維氈復(fù)合材料吸聲性能明顯優(yōu)于PU和PVDF納米纖維氈復(fù)合材料。主要體現(xiàn)在250～2 500 Hz區(qū)域內(nèi)，PU/PVDF(質(zhì)量比7∶3)納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)整體大于PU和PVDF納米纖維氈復(fù)合材料;特別是在630～1 600 Hz之間，PU和PVDF納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)在0.1～0.5 之間，而 PU/PVDF(質(zhì)量比 7∶3)納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)在0.2～0.7之間。以上數(shù)據(jù)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(jié)合圖2中PU/PVDF納米纖維氈的微觀形貌分析得知，當(dāng)PU/PVDF質(zhì)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(xì)且均勻性好，纖維氈內(nèi)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(jié)論

(1)普通多孔泡沫板在250～2 500 Hz中低頻區(qū)域吸聲性能較差，吸聲系數(shù)在0.1左右;當(dāng)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(fù)合材料在800～1 600 Hz中低頻區(qū)域具有良好的吸聲性能。

(2)PU/PVDF共混納米纖維氈復(fù)合材料的吸聲性能明顯優(yōu)于PU和PVDF納米纖維氈復(fù)合材料。在250～2 500 Hz區(qū)域內(nèi)，PU/PVDF(質(zhì)量比7∶3)納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)整體大于 PU和PVDF納米纖維氈復(fù)合材料;特別是在630～1 600 Hz之間，PU和PVDF納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)在0.1～0.5之間，而 PU/PVDF(質(zhì)量比7∶3)納米纖維氈復(fù)合材料吸聲系數(shù)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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