靜電紡絲納米纖維基吸聲材料的研究進(jìn)展

李 簫，劉元軍,b,c，趙曉明,b,c

(天津工業(yè)大學(xué)，a.紡織科學(xué)與工程學(xué)院；b.天津市先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實驗室；c.天津市先進(jìn)纖維與儲能技術(shù)重點(diǎn)實驗室，天津 300387)

聲音是人們與這個世界對話的一種方式，聲學(xué)環(huán)境是人們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境中一個不可缺少的組成部分。然而在今天，伴隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，聲學(xué)環(huán)境的質(zhì)量日趨下降，噪聲污染已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的四大污染之一。持續(xù)時間長、強(qiáng)度大的環(huán)境噪聲嚴(yán)重危害著人們的生理和心理健康[1-2]。在生態(tài)環(huán)境部《2021年中國環(huán)境噪聲污染防治報告》中，全國生態(tài)環(huán)境信訪投訴舉報管理平臺共接到44.1萬余件公眾舉報，其中噪聲擾民問題占比42.2%，位于各環(huán)境污染要素中的第2位。在世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展下，人們的生活水平日益提高，與此同時對于自身所生活的聲學(xué)環(huán)境也提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求?；诖?，各類降噪材料被廣泛應(yīng)用到人們的日常生產(chǎn)生活中。

降噪材料主要包括了吸聲材料和隔聲材料，吸聲材料利用聲能向其他能量轉(zhuǎn)化，以達(dá)到減少聲音反射產(chǎn)生混響的目的，隔聲材料則用于阻擋聲能的傳播，防止聲波進(jìn)入或離開，形成聲學(xué)屏障[3-4]。依據(jù)吸聲系數(shù)α，平均吸聲系數(shù)大于0.2的材料為吸聲材料，大于0.56的材料為高效吸聲材料[5-6]。使用靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維其直徑通常在 10～1 000 nm范圍內(nèi)[7]，呈現(xiàn)出孔徑小、比表面積高、孔隙率高等優(yōu)良特點(diǎn)，具備多孔吸聲材料對于優(yōu)良吸聲性能的要求，靜電紡絲納米纖維材料也因此被廣泛應(yīng)用于吸聲領(lǐng)域中。本文從靜電紡絲納米纖維出發(fā)，針對吸聲材料，綜述了靜電紡絲技術(shù)、靜電紡絲納米纖維材料的吸聲理論，以及在靜電紡絲納米纖維材料的基礎(chǔ)上，提高材料吸聲能力的3種方法。

1 靜電紡絲技術(shù)

靜電紡絲是一種用途非常廣泛的紡絲技術(shù)，其利用靜電場作用，紡制得到聚合物微/納米纖維[8-9]。圖1所示為垂直設(shè)置的靜電紡絲裝置[10-11]。該技術(shù)因可有效調(diào)控纖維細(xì)度、表面形態(tài)、取向結(jié)構(gòu)和截面形狀，且原材料選擇范圍廣、可選性高，被廣泛應(yīng)用于連續(xù)納米纖維的制備中[12-13]。

圖1 垂直設(shè)置的靜電紡絲裝置

靜電紡絲技術(shù)適用于大多數(shù)的可溶性或可熔性聚合物，根據(jù)聚合物原料的狀態(tài)可大致分為溶液靜電紡絲和熔體靜電紡絲兩類紡絲方法[14-15]。一直以來，溶液紡絲是靜電紡絲領(lǐng)域中研究和使用最多、應(yīng)用最廣的紡絲技術(shù)，其將聚合物溶液通過注射泵勻速形成液滴，在靜電場作用下形成納米纖維[16]。相較于溶液紡絲而言，熔體紡絲的設(shè)備及操作過程均較為復(fù)雜，發(fā)展相對緩慢[8]。但熔體紡絲技術(shù)不受使用溶劑的限制，紡絲過程中沒有溶劑的揮發(fā)，不會形成毒性污染，生產(chǎn)效率高，且產(chǎn)出的纖維絲水平高，可以制備表面光滑且連續(xù)的微/納米纖維，紡絲過程中的原料利用率幾乎可以達(dá)到100%，更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和安全[17-18]。

溶液靜電紡絲技術(shù)由于其紡絲裝置易搭建實施，在許多新材料的開發(fā)上也更容易受到青睞，但不可否認(rèn)的是，熔體靜電紡絲技術(shù)相對于使用溶劑，甚至是有毒溶劑的溶液靜電紡絲而言在產(chǎn)業(yè)化拓展方面具有更多的優(yōu)勢[17]。近年來，關(guān)于熔體靜電紡絲技術(shù)的研究已有了不少研究成果。鄧榮堅[19]通過大量的實驗研究，成功研制出了高效且可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的熔體紡絲裝置，提高了熔體靜電紡絲效率，并使用該技術(shù)成功紡制了超細(xì)聚丙烯(PP)、超細(xì)聚酰胺(PA)、超細(xì)聚酯(PET)等超細(xì)纖維。陳宏波[20]提出了熔噴靜電微分紡絲、吸氣流輔助的熔體微分靜電紡絲等技術(shù)，最終在纖維細(xì)化和纖維直徑分布均勻性上實現(xiàn)了平衡，并同時提高了單噴頭的產(chǎn)出效率，對于超細(xì)纖維的生產(chǎn)具有重要的研究意義。在其研究之后，余韶陽等[21]使用氣流輔助的熔體微分靜電紡絲法制備了平均直徑為2.87 μm的聚苯硫醚(PPS)/聚丙烯(PP)超細(xì)纖維，實現(xiàn)了對纖維的細(xì)化。此外，在實現(xiàn)熔體靜電紡絲批量化生產(chǎn)方面，北京化工大學(xué)英藍(lán)實驗室已成功研制了聚合物熔體微分靜電紡工業(yè)化生產(chǎn)線，解決了熔體靜電紡絲批量化生產(chǎn)的問題[14]。

2 靜電紡絲納米纖維材料

研究表明，納米纖維材料的紡制方法主要有模板聚合、相分離、自組裝和紡絲加工方法[22]。在這些方法中，靜電紡絲技術(shù)因其生產(chǎn)設(shè)備較為簡單、工藝可控且原材料選擇豐富、成本低廉，成為了生產(chǎn)納米纖維材料最為普遍的方法[12,23]。同時，使用靜電紡絲法制備納米纖維，為改變納米纖維材料的物理結(jié)構(gòu)提供了更多的可能性[10,24]，如改變纖維的直徑和形貌。纖維直徑的改變，往往會使得多孔材料的孔隙率、孔徑尺寸等一系列相關(guān)的物理結(jié)構(gòu)和吸聲性能也隨之發(fā)生變化[25-26]。

賈巍等[27]以聚氨酯(PU)為原料，制備了PU靜電紡絲納米纖維膜、PU多孔膜和PU流延膜，3種膜的平均孔徑大小從大到小依次為PU多孔膜、PU靜電紡絲納米纖維膜、PU流延膜，其SEM照片如圖2所示[27]。在相同面密度和空腔深度(15 mm)條件下，聲波頻率為2000 Hz時，孔徑較小且分布均勻的PU靜電紡絲納米纖維膜最大吸聲系數(shù)略高于0.55，小于PU多孔膜(最大吸聲系數(shù)出現(xiàn)在0.60～0.65范圍內(nèi))，但顯著大于PU流延膜(最大吸聲系數(shù)略高于0.30)。

圖2 PU的SEM照片

孔隙結(jié)構(gòu)能夠直接或間接地影響材料的吸聲性能。當(dāng)膜內(nèi)沒有微孔、結(jié)構(gòu)致密時，進(jìn)入到材料內(nèi)部的聲波相對較少，聲波與材料之間的作用較弱，所產(chǎn)生的吸聲效果不明顯；反之當(dāng)膜的孔徑過大時，透射聲波會增加，材料的吸聲效果也不明顯。在賈巍等[27]的研究中，PU流延膜可近似認(rèn)為沒有微孔或孔隙太小，其吸聲性能要弱于具有孔隙結(jié)構(gòu)的PU多孔膜和PU靜電紡絲納米纖維膜；PU多孔膜和PU靜電紡絲納米纖維膜，二者制備方法不同，在孔徑的大小和孔隙的分布方面，多孔膜都極其不均勻，靜電紡絲納米纖維膜則相對較好得多。

2.1 靜電紡絲納米纖維材料的吸聲性能

松軟多孔是吸聲材料共有的特性，在諸多影響纖維基吸聲材料性能的因素中，纖維細(xì)度、比表面積和孔隙率是其中3個較為重要的影響因素，一般來說，纖維細(xì)度細(xì)、比表面積大且孔隙率高的纖維更具備良好的吸聲性能。普通纖維類多孔吸聲材料如棉、羊毛、玻璃絲等材料，在高頻段內(nèi)能表現(xiàn)出良好的吸聲能力，但在中低頻段的吸聲能力較弱甚至無吸聲能力[28]。相較普通纖維類多孔吸聲材料而言，同屬于纖維類多孔吸聲材料的靜電紡絲納米纖維材料，具有高比表面積、高孔隙率以及納米尺度的纖維直徑。高比表面積增大了入射聲波與纖維之間發(fā)生作用的面積，進(jìn)而使得中低頻段內(nèi)的聲波更容易與纖維發(fā)生碰撞，形成能量的轉(zhuǎn)化散耗，有效提高了材料在中低頻段的吸聲能力[28-29]。

同時，靜電紡絲納米纖維材料除自身具備良好的中低頻吸聲能力之外，將使用靜電紡絲技術(shù)制備得到的納米纖維材料，與其他多孔吸聲材料進(jìn)行有效復(fù)合，或與膜后空腔形成有效的吸聲結(jié)構(gòu)[27,30]，均能夠達(dá)到拓寬材料吸聲頻帶的目的，全面提高材料在高、中、低3個頻段內(nèi)的吸聲能力[25]。

馬勝男等[25]和賈巍等[27]均通過復(fù)合靜電紡絲納米纖維膜和非織造材料的方式，提升了材料的吸聲性能。馬勝男等[25]在聚丙烯(PP)紡粘非織造材料上疊加了靜電紡絲聚丙烯腈(PAN)纖維膜，材料在800～6 400 Hz范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)都有顯著提高。賈巍等[27]在靜電紡聚氨酯(PU)納米纖維膜后的空腔內(nèi)填加了非織造材料，所形成的復(fù)合材料在聲波頻率為2 000 Hz處的最大吸聲系數(shù)接近于1.0。

2.2 靜電紡絲納米纖維材料的吸聲作用原理

聲波經(jīng)發(fā)聲體產(chǎn)生后，以不同的傳播速度在不同的介質(zhì)中傳播，同時也發(fā)生著不同形式的能量損耗。聲波在材料內(nèi)部通過弛豫作用、熱傳導(dǎo)和粘滯性內(nèi)摩擦3種方式完成聲能的損耗[31]，基于聲能的損耗方式，可得到靜電紡絲納米纖維材料的吸聲機(jī)理，如圖3所示[31-32]。其中，Ei為入射聲的總聲能，J；Er為反射聲的聲能，J；Ea為被材料吸收的聲能，J；Et為透過材料的聲能，J。

圖3 靜電紡絲納米纖維材料的吸聲機(jī)理

聲波在入射到材料表面時，由于反射、散射和吸收作用的存在，僅部分聲波能透過材料形成透射聲波。入射到材料內(nèi)部的聲波，會引起纖維本身、纖維之間和纖維內(nèi)部空氣的振動，進(jìn)而在粘滯性內(nèi)摩擦的作用下，聲能被轉(zhuǎn)化成熱能衰減[33]。同時，聲波在介質(zhì)中傳播時，材料內(nèi)部孔隙中的空氣介質(zhì)發(fā)生壓縮和膨脹變化，壓縮區(qū)和膨脹區(qū)的溫度隨著區(qū)域體積的變化形成了溫度梯度，進(jìn)而發(fā)生熱量交換[34]。靜電紡絲納米纖維在具備多孔吸聲結(jié)構(gòu)的同時，也能形成共振吸聲機(jī)制，當(dāng)入射聲波的頻率與材料自身所具有的頻率一致時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象而引起聲能形式的轉(zhuǎn)換，這一機(jī)制彌補(bǔ)了多孔吸聲材料在中低頻段吸聲效果不佳的缺陷[8,28]。

進(jìn)入到材料內(nèi)部的聲波，在以熱能形式損耗的同時，也可以被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量而衰減，如電能。壓電材料聚偏氟乙烯(PVDF)就可以實現(xiàn)聲能向電能形式的轉(zhuǎn)換，且該材料在低頻區(qū)域內(nèi)對聲波有較好的吸收效果。Wu等[35-36]制備了聚偏氟乙烯/碳納米管(PVDF/CNT)和聚偏氟乙烯/石墨烯(PVDF/Gp)靜電紡絲納米纖維膜，經(jīng)阻抗管法測定膜吸聲系數(shù)顯示，該納米纖維膜在中低頻區(qū)域內(nèi)能產(chǎn)生良好的吸聲效果，其對于聲波的吸收具有有效性。

2.3 靜電紡絲納米纖維材料的吸聲性能影響因素

纖維的直徑、形貌，材料的面密度、孔隙率和厚度等因素，都會影響納米纖維材料的吸聲性能。

2.3.1 纖維直徑

靜電紡絲過程中的供液流速、電壓和濃度等參數(shù)會影響著所制備的納米纖維直徑[37-39]。汪成偉[37]以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和乙醇的混合溶液作為靜電紡絲聚合物溶液，采用控制變量法分別在不同流速、不同電壓和不同濃度的工藝參數(shù)下進(jìn)行了靜電紡絲。其中，當(dāng)供液流速為0.15、0.25 mL/h和 0.35 mL/h 的條件下，所制備的納米纖維直徑主要分布區(qū)間分別為500～700 nm、600～800 nm和 700～800 nm；當(dāng)電壓為10、15 kV和20 kV時，納米纖維平均直徑分別為745、610 nm和402 nm；當(dāng)PVP聚合物溶液濃度為0.04、0.06 g/mL和 0.08 g/mL 時，納米纖維的平均直徑隨著溶液濃度的增大而明顯增大，其平均直徑分別為518、609 nm和740 nm。此外，電極距離也能對納米纖維的直徑造成影響，隨著電極距離的增加，納米纖維的平均直徑減小，納米纖維膜的諧振頻率隨之增大[39]。

纖維越細(xì)，單位質(zhì)量內(nèi)的纖維根數(shù)越多，使得聲波與纖維之間相互作用的幾率增加；同時，細(xì)度較小的纖維更容易因聲波的振動而產(chǎn)生形變，致使纖維內(nèi)部的孔隙通道變得更加曲折，從而增大空氣流阻，提高材料的吸聲性能[40]。杜雪瑩[26]將3種不同平均直徑(孔隙率)的聚丙烯腈(PAN)靜電紡絲納米纖維膜分別與摻入式熔噴非織造材料進(jìn)行復(fù)合，得到平均直徑(孔隙率)分別為300 nm(18.73%)、430 nm(22.15%)和460 nm(28.46%)的復(fù)合材料F11、F12和F13。在聲波頻率為1250 Hz處，無論P(yáng)AN靜電紡絲納米纖維膜作為背身面還是受聲面，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)均為F11>F12>F13。高冰[41]對由聚乙烯醇(PVA)靜電紡絲納米纖維膜與滌綸針刺非織造材料形成的復(fù)合材料進(jìn)行了抗水溶處理，改變了復(fù)合材料的纖維直徑，使得復(fù)合材料的吸聲曲線向中低頻處移動，其中，纖維直徑為 0.45 μm 的復(fù)合材料，吸聲系數(shù)增長的聲波頻率區(qū)間最大，為500～2 240 Hz。

2.3.2 纖維形貌

纖維具有不同的形貌特征，這使得其在對聲波的吸收上也具有了差異性。表面粗糙且不規(guī)則的纖維材料通常會具有較好的吸聲性能，大麻纖維表面較粗糙，纖維粗細(xì)分布相對分散，表現(xiàn)為不規(guī)則的三角形、多邊形和腰圓形等形狀，在一定程度上增加了與聲波的接觸面積，擴(kuò)大了材料對聲能的吸收范圍[42]。材料改性時引入納米顆?；蚣{米粉末也會影響材料的表面形貌，如表面粗糙度，進(jìn)而影響材料的吸聲性能。木棉是天然的中空纖維，其中空率可以達(dá)到80%～90%，常被用作隔熱吸聲材料[32]。田媛媛等[43]研究了木棉/乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)吸聲復(fù)合材料的性能，在中低頻區(qū)域，隨著木棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，木棉纖維/EVA吸聲復(fù)合材料的吸聲系數(shù)明顯增大；在高頻區(qū)域，該吸聲系數(shù)曲線隨著木棉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大總體呈上升趨勢，木棉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的吸聲復(fù)合材料在聲波頻率為 2 000 Hz 處的吸聲系數(shù)接近0.8，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的吸聲復(fù)合材料在5 000～7 000 Hz范圍內(nèi)所測的吸聲系數(shù)大于0.8。不同截面形狀的纖維材料與聲波之間的相互作用存在差異，所產(chǎn)生的吸聲效果也不同，如三角形截面的纖維要優(yōu)于圓形截面的纖維[44]。

2.3.3 材料面密度和孔隙率

聲學(xué)材料的孔隙率通常大于95%，孔隙率過大的材料透射聲波較多，纖維與聲波間的相互作用減弱，最終導(dǎo)致材料的吸聲性能下降；孔隙率過小的材料質(zhì)地緊密，聲波在材料表面的反射增加而不易進(jìn)入到內(nèi)部，同樣會使材料的吸聲性能下降[32,45]。馬勝男等[25]設(shè)置紡絲時間為8、12 h和16 h，分別得到了不同面密度和孔隙率的聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜M1、M2和M3，在空腔深度為10 mm的條件下，材料的吸聲系數(shù)隨著面密度和孔隙率的增加而增大，其中M3最大吸聲系數(shù)接近0.7，顯著大于M1。Xiang等[46]也同樣通過調(diào)整紡絲時間，制備了孔隙率分別為64%(10 min)、71%(30 min)和90%(60 min)的PAN靜電紡絲納米纖維膜M1、M2和M3，在膜后空腔深度為10 mm的條件下，聲波頻率為4 000 Hz處的吸聲系數(shù)M3>M2>M1。

2.3.4 材料厚度

隨著材料厚度的增大，材料內(nèi)部的孔隙通道變長，聲能消耗的整個動程增加，同時聲波與纖維之間相互作用的次數(shù)增加，吸聲性能提高[43,47]。呂麗華等[47]的研究中，其所制備的復(fù)合材料在2 000 Hz以下的低頻段內(nèi)，吸聲性能隨著材料厚度的增加而明顯提升，但厚度的改變對于高頻段的吸聲效果影響不大。

2.4 靜電紡絲納米纖維材料的吸聲系數(shù)測試方法

材料吸聲系數(shù)的測試方法可以分為傳統(tǒng)測試方法[48]和現(xiàn)場測試技術(shù)[49]兩大類。

2.4.1 傳統(tǒng)測試方法

傳統(tǒng)測試方法包括了混響室法、駐波管法和阻抗管法。

混響室法[48]在一個較大且封閉的混響場中，通過吸聲材料對擴(kuò)散聲場聲壓衰變曲線的影響，間接測試無規(guī)則入射聲波的吸聲系數(shù)，通常情況下僅測試大試樣材料的吸聲系數(shù)。若測試樣品的尺寸較小，則可以選用與混響室法具有相同測試原理的阿爾法箱法進(jìn)行吸聲測試。

駐波管法[48]測量垂直入射聲波的吸聲系數(shù)，其原理是在駐波管內(nèi)，頻率相同的入射聲波和反射聲波在管中疊加形成駐波，通過測量計算得到駐波比G(聲壓極大值與極小值的比值)，經(jīng)推導(dǎo)可得聲壓反射系數(shù)rp，進(jìn)一步計算出吸聲系數(shù)α。該測試方法雖測試成本低，但操作復(fù)雜且費(fèi)時，此外，測試過程中的人工調(diào)控，限制了所測數(shù)據(jù)的精確性。在目前的研究中，針對這一傳統(tǒng)駐波管測試方法的精度和效率問題，姚磊等[50]研制了吸聲尖劈測試用駐波管系統(tǒng)可實現(xiàn)自動控制，以測量管內(nèi)聲壓隨距離變化而發(fā)生的改變，有效改善了傳統(tǒng)駐波比測試方法中測試精度低、測量效率不高的問題。

阻抗管法也稱傳遞函數(shù)法[44]，是對駐波管法的優(yōu)化。該方法所測為垂直入射聲波的吸聲系數(shù)，由傳聲器采集和處理管內(nèi)的聲壓信號，分別對入射及反射信號進(jìn)行頻域分解，計算得到不同頻率所對應(yīng)的特性阻抗，通過解出聲壓反射系數(shù)rp來進(jìn)一步計算出吸聲系數(shù)α。圖4所示為阻抗管法測量裝置示意圖[51]，圖4中Pi為阻抗管內(nèi)某處的入射聲壓，Pa；Pr為反射聲壓，Pa。使用該方法進(jìn)行材料吸聲性能的測試，操作簡單、成本低廉，更重要的是精度和效率高，是目前使用較為廣泛的吸聲性能測試方法。

圖4 阻抗管法測量裝置示意

2.4.2 現(xiàn)場測試技術(shù)

目前，主要的現(xiàn)場測試技術(shù)包括PU矢量探頭法[52]、參量陣揚(yáng)聲器法、脈沖響應(yīng)法、倒頻譜法、最長序列數(shù)法和減法技術(shù)[49]。這一類測試技術(shù)相較于傳統(tǒng)測試方法而言，能更好地應(yīng)用于實際工作的復(fù)雜環(huán)境，但也同樣存在著測試優(yōu)勢和缺陷，仍在不斷進(jìn)步與完善中。

PU探頭吸聲系數(shù)測量儀由PU探頭、點(diǎn)聲源和數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備組成，圖5所示為PU探頭法測量試件法向吸聲系數(shù)原理圖[52]。使用探頭法測量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度的原理，在于利用兩個相鄰很近的電阻傳感器探測聲波傳播過程中產(chǎn)生的溫度差，該溫度差通過線性變化為質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度，最終也需先獲得聲壓反射系數(shù)rp，再進(jìn)一步計算出材料的吸聲系數(shù)α[49,52]。

圖5 PU探頭法測量試件法向吸聲系數(shù)原理

脈沖響應(yīng)法分別測試未放置樣品材料時與放置樣品材料后的吸聲系數(shù)，測試得到反射方向上單個傳聲器的聲強(qiáng)或多個傳聲器的平均聲強(qiáng)，據(jù)此計算出樣品材料在各個頻率下的吸聲系數(shù)[49]。脈沖響應(yīng)法的測試原理如圖6所示[49]。

圖6 脈沖響應(yīng)法測試原理

3 改善靜電紡絲納米纖維材料吸聲性能的方式

聲頻中以赫茲作為標(biāo)準(zhǔn)，將聲波劃分為高、中、低3個頻段，高頻聲在2 000 Hz以上，中頻聲在500～2000 Hz范圍內(nèi)，低頻聲在500 Hz以下。一般來說，高頻段區(qū)域的聲波波長短，穿透能力較弱，材料對于高頻段的噪聲能發(fā)揮最大程度的有效防護(hù)[44]。故要提高材料的吸聲性能，重點(diǎn)在于改善其在中低頻區(qū)域的吸聲能力。中低頻段內(nèi)聲波的波長較長、衰減速度較慢、穿透能力強(qiáng)，且吸聲材料與聲波間的相互作用較弱，這一頻段內(nèi)的聲波所帶來的傷害強(qiáng)度大、范圍廣，因此在處理上也相對困難[25,53]。使用靜電紡絲技術(shù)，將制備的靜電紡絲納米纖維或纖維膜材料進(jìn)行復(fù)合、改性，可以有效改善材料的吸聲性能；此外，通過制備靜電紡絲納米纖維氣凝膠材料，也可以實現(xiàn)對材料吸聲能力的提升。

3.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)

靜電紡絲納米纖維膜屬于二維納米材料，其獨(dú)特的網(wǎng)狀及微孔道結(jié)構(gòu)使得納米纖維膜具有了比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn)，在吸聲領(lǐng)域中已有較多的應(yīng)用[28,54]。但由于靜電紡絲納米纖維膜較薄，單層的纖維膜吸聲能力較弱甚至不具備吸聲能力，故通常使其形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，以改善材料的吸聲性能[28]。

3.1.1 與空腔復(fù)合

一般吸聲材料背后空腔能提高低頻段內(nèi)的吸聲性能，材料背后空腔深度可以與靜電紡絲納米纖維膜形成亥姆霍茲共振器，隨著空腔深度的增加，吸聲性能的提高逐漸向低頻延伸，聲波通過摩擦作用轉(zhuǎn)化為熱損失而散耗[25,55]。設(shè)置適當(dāng)?shù)目涨簧疃龋梢蕴岣呒{米纖維膜材料的吸聲性能。

馬勝男等[25]所紡制的聚丙烯腈(PAN)靜電紡絲納米纖維膜，膜后空腔深度為10、20 mm和 30 mm 的材料，在聲波頻率為2 400～6 400 Hz范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)均顯著大于空腔深度為0 mm的材料。賈巍等[27]的研究中，聚氨酯(PU)靜電紡絲納米纖維膜的共振頻率隨著空腔深度的增大而逐漸移向低頻區(qū)域，當(dāng)膜后沒有空腔時，納米纖維膜的吸聲系數(shù)基本都在 0.1 以下，空腔深度分別為10、20 mm 和30 mm的PU靜電紡絲納米纖維膜最大吸聲系數(shù)分別出現(xiàn)在聲波頻率為2 500、2 000 Hz和1 500 Hz處。

3.1.2 與靜電紡絲納米纖維膜/氈復(fù)合

靜電紡絲納米纖維膜/纖維氈的多層復(fù)合，相當(dāng)于在一定程度上增加了材料的厚度，進(jìn)而影響材料的吸聲性能。此類層合結(jié)構(gòu)吸聲能力得到改善的原因主要有三個方面。首先，材料厚度的增加，在一定程度上可以提高該層合結(jié)構(gòu)的吸聲能力；其次，多層復(fù)合，層與層之間會形成微薄的空氣層，在入射聲波被靜電紡絲納米纖維膜/氈逐層吸收、散耗的同時，空氣層的存在加強(qiáng)了聲波在材料中的反射和透射作用，增加了聲能的轉(zhuǎn)換損耗；最后，微薄空氣層自身所形成的共振作用也有利于聲波的傳遞吸收[56]。

但值得注意的是，多層復(fù)合的層數(shù)并非越多越好，在一定層數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行纖維膜/氈的層層復(fù)合，才能更加有效地提高材料的吸聲性能[56]。賈巍[56]研究了聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯腈(PAN)靜電紡絲納米纖維材料的吸聲性能。實驗選取層合層數(shù)分別為1層、5層、10層、15層和20層的PVA靜電紡絲納米纖維氈，當(dāng)設(shè)置空腔深度為20 mm時，單層、5層和10層的材料最大吸聲系數(shù)在0.8左右，15層和20層的材料最大吸聲系數(shù)則均接近于1。PAN靜電紡絲納米纖維氈在空腔深度為0 mm時，單層PAN靜電紡絲納米纖維氈在測試頻率內(nèi)幾乎沒有吸聲性能，但隨著復(fù)合層數(shù)的增加，其最大吸聲系數(shù)不斷提高，在層數(shù)為7層時最大吸聲系數(shù)接近于1,而當(dāng)復(fù)合14層時最大吸聲系數(shù)已經(jīng)達(dá)到了1。Elkasaby等[57]將兩個靜電紡絲納米纖維復(fù)合墊進(jìn)行組合，并在其中置留出了不同厚度的空氣層結(jié)構(gòu)，分別制得12%聚氯乙烯-5%碳納米管(PVC 12%-CNT 5%)和9%聚乙烯醇-5%碳納米管(PVA 9%-CNT 5%)層狀復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)PVC 12%-CNT 5%層狀復(fù)合材料在其空氣層厚度為5 mm時，于聲波頻率為500 Hz和1000 Hz處吸聲系數(shù)分別呈現(xiàn)出46%和10%的增長；PVA 9 %-CNT 5%層狀復(fù)合材料，在其空氣層厚度從0 mm增加至5 mm的過程中，分別在聲波頻率為630 Hz和1 000 Hz處觀測到了吸聲系數(shù)50%和60%的顯著增長。

3.1.3 與傳統(tǒng)吸聲材料復(fù)合

將靜電紡絲納米纖維材料作為傳統(tǒng)吸聲材料的吸聲層，在此條件下，入射聲波所具有的能量被吸聲層經(jīng)過共振作用吸收散耗，可使材料在全頻段內(nèi)的吸聲性能都得到提升，尤其是在中低頻區(qū)域表現(xiàn)出良好的吸聲效果。

傳統(tǒng)多孔吸聲材料如棉、麻、毛氈及其纖維制品，在高頻段的吸聲性能較好，但在中低頻段不佳，靜電紡絲納米纖維材料較好的中低頻聲波吸收能力，恰好彌補(bǔ)了這一缺陷。將靜電紡絲納米纖維材料與傳統(tǒng)吸聲材料進(jìn)行有效復(fù)合，可以提高該復(fù)合結(jié)構(gòu)在中低頻段內(nèi)的吸聲能力。Na等[58]在常規(guī)羊毛氈中加入了納米纖維網(wǎng)層，經(jīng)測試得到該復(fù)合結(jié)構(gòu)在聲波頻率為4 000 Hz時吸聲系數(shù)提高85%。Ozturk等[59]將聚丙烯腈(PAN)靜電紡絲納米纖維膜，分別與羊毛氈基底和黃麻氈基底進(jìn)行復(fù)合，覆有PAN靜電紡絲納米纖維膜的羊毛氈，可以更多地吸收近4倍中頻段內(nèi)的聲波；同時，覆有PAN靜電紡絲納米纖維膜的黃麻氈，在500～1 500 Hz范圍內(nèi)的最大吸聲系數(shù)達(dá)到0.4，是未復(fù)合時的4～8倍。

3.1.4 與非織造材料復(fù)合

非織造材料以纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)成形，其內(nèi)部纖維與纖維之間存在著相互連通的孔隙，具有孔隙率高、比表面積大且柔軟、透氣疏松等特點(diǎn)，在吸聲領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景[31]。然而，非織造材料在低頻區(qū)域內(nèi)的吸聲效果較差，故將靜電紡絲納米纖維材料與其進(jìn)行復(fù)合，以實現(xiàn)對非織造材料低頻聲波吸收能力的改善。

徐艷[60]制備了尼龍6(PA6)/聚乙烯醇(PVA)共混溶液靜電紡膜和尼龍6(PA6)/聚乙烯醇(PVA)納米纖維混合膜，并將其分別與滌綸(PET)針刺非織造材料復(fù)合，制得雙層A(納米纖維膜)+B(滌綸針刺非織造材料)型復(fù)合吸聲體。其中，雙層PA6/PVA共混溶液靜電紡膜和針刺非織造材料的復(fù)合吸聲體，吸聲系數(shù)整體都有所提高，但在低頻段內(nèi)的吸聲效果不明顯，1 000 Hz時的吸聲系數(shù)均低于 0.2；在高頻段范圍內(nèi)，平均孔徑為1.33 μm和 0.61 μm 的PA6/PVA共混溶液靜電紡膜(N4和N5)分別與平均孔徑為134 μm的針刺非織造材料(Z5)形成的復(fù)合吸聲體(N4Z5和N5Z5)，整體吸聲系數(shù)都高于0.5，且N5Z5復(fù)合吸聲體的最大吸聲系數(shù)達(dá)到了0.82。雙層PA6/PVA納米纖維混合膜和針刺非織造材料的復(fù)合吸聲體，其吸聲性能同樣得到了很大的提高，尤其是中低頻的吸聲系數(shù)，平均孔徑為1.14 μm的PA6/PVA納米纖維混合膜(C1)和平均孔徑為57.6 μm的針刺非織造材料(Z4)形成的復(fù)合吸聲體(C1Z4)，在613 Hz時的吸聲系數(shù)達(dá)到0.24，在2 000 Hz時達(dá)到了0.64。

杜雪瑩[26]使用以聚丙烯腈(PAN)為原材料制得的靜電紡絲納米纖維膜與熔噴非織造材料進(jìn)行復(fù)合，經(jīng)測試，在入射聲波頻率大于500 Hz的條件下，該復(fù)合材料的吸聲系數(shù)實現(xiàn)了約20%的增長。同樣是使用PAN靜電紡絲納米纖維膜與熔噴非織造材料進(jìn)行復(fù)合，楊倩等[61]在其中加入了還原氧化石墨烯(RGO)，制備了RGO/PAN納米纖維膜/雙組分熔噴非織造材料，該材料在500～6300 Hz范圍內(nèi)，其吸聲性能的最大增幅達(dá)到24%。

烏園園[8]將其制備的平均厚度為105.65 μm的聚丙烯腈納米纖維膜(PAN-1)、二氧化硅(SiO2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的PAN/SiO2混紡膜(B-SiO2-8)、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的SiO2@PAN浸涂膜(C-SiO2-1)及在(45±5)%濕度條件下制備的聚砜(PSU)納米纖維膜(PSU-M)分別與聚酯(PET)針刺非織造氈進(jìn)行復(fù)合，得到納米/PET針刺非織造復(fù)合結(jié)構(gòu)。相較于純PET針刺氈，PSU-M和PET針刺氈復(fù)合所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)(PSU-M/PET)在聲波頻率為 1 600 Hz 時吸聲系數(shù)達(dá)到最大值為0.917，材料的吸聲性能在厚度僅增加1/100的條件下提高了約3.2倍。

劉煥[40]和高冰[41]均進(jìn)行了將聚乙烯醇(PVA)靜電紡絲納米纖維膜與非織造材料復(fù)合后吸聲性能的研究。劉煥[40]將PVA靜電紡絲納米纖維膜與PET針刺非織造布進(jìn)行復(fù)合，當(dāng)PVA靜電紡絲納米纖維膜位于背聲面時，該復(fù)合材料在聲波頻率為 3 150 Hz 處的最大吸聲系數(shù)為0.69。高冰[41]將聚乙烯醇(PVA)靜電紡絲納米纖維氈與針刺非織造材料進(jìn)行復(fù)合，所得到的復(fù)合材料在全頻段內(nèi)的吸聲系數(shù)均有所提高，且在聲波頻率為2500 Hz時吸聲系數(shù)達(dá)到最大值0.94。

劉煥[40]和Liu等[62]均進(jìn)行了將聚乙烯醇/聚氧化乙烯/氧化石墨烯(PVA/PEO/GO)靜電紡納米纖維膜與非織造材料復(fù)合后吸聲性能的研究。劉煥[40]制備了PVA/PEO混紡比為70/30、添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%和1.5%GO的PVA/PEO/GO靜電紡納米纖維膜，并將其分別與滌綸針刺非織造布進(jìn)行復(fù)合得到復(fù)合材料，當(dāng)PVA/PEO/GO靜電紡納米纖維膜位于受聲面時，PVA/PEO/GO(0.5%)復(fù)合材料在聲波頻率為1600 Hz處的吸聲系數(shù)為0.77，PVA/PEO/GO(1.0%和1.5%)復(fù)合材料的最佳吸收峰分別出現(xiàn)在2000 Hz(0.93)和 2 500 Hz(0.91)。Liu等[62]使用混紡比為70/30的PVA/PEO與GO制得PVA/PEO/GO共混膜，并將其與非織造材料進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合吸聲材料在 1 000～3 150 Hz范圍內(nèi)具有良好的吸聲性能。

3.2 材料改性

易表面改性是靜電紡絲納米纖維材料的優(yōu)點(diǎn)之一[63]。表面改性即在保持材料或制品原性能的前提下，賦予其表面新的性能，可通過物理性的涂層、堆積或化學(xué)接枝將官能團(tuán)或者相關(guān)物質(zhì)引入[64]。改變靜電紡絲納米纖維或纖維膜的表觀或微觀結(jié)構(gòu)，在一定程度上能影響其吸聲性能。

混紡所利用的就是物理改性的原理。劉煥[40]采用溶液靜電紡絲法，制得混紡比為90/10、80/20和70/30的聚乙烯醇/聚氧化乙烯(PVA/PEO)靜電紡絲納米纖維膜，使用掃描電子顯微鏡觀察混紡比為70/30的PVA/PEO納米纖維膜，其具有粗糙且不規(guī)則的表面，正是由于這一表面的存在，擴(kuò)大了材料對聲波的吸收范圍。實驗測試該混紡PVA/PEO靜電紡絲納米纖維膜與PET針刺非織造布復(fù)合形成的復(fù)合材料的吸聲性能，當(dāng)PVA/PEO靜電紡絲納米纖維膜位于背聲面時，混紡比為90/10、80/20和70/30的復(fù)合材料，其最大吸聲系數(shù)分別為 0.58(2 500 Hz)、0.75(3 150 Hz)和0.77(2 500 Hz)；當(dāng)PVA/PEO電紡絲納米纖維膜位于受聲面時，混紡比為90/10和80/20的PVA/PEO復(fù)合材料，其最大吸聲系數(shù)分別為0.73(1 000 Hz)和0.85(800 Hz)，混紡比為70/30的復(fù)合材料吸聲系數(shù)則出現(xiàn)了雙峰值，分別為0.87(800 Hz)和0.77(5 000 Hz)。

在材料中添加納米顆粒，也可以實現(xiàn)對聚乙烯醇(PVA)靜電紡絲納米纖維膜表觀和微觀的改性。高冰[41]在PVA靜電紡絲納米纖維氈與針刺非織造材料的復(fù)合材料中，分別加入了碳化鋯(ZrC)納米粉末和二氧化鈦(TiO2)納米粉末。其中，當(dāng)ZrC質(zhì)量百分比為0%和1%時，在聲波頻率為2 500 Hz處吸聲系數(shù)的吸收峰分別為0.94和0.95；當(dāng)ZrC質(zhì)量百分比為3%和5%時，吸收峰出現(xiàn)在3 143 Hz處，吸聲系數(shù)分別為0.95和0.99。添加了質(zhì)量百分比為0%、1%、3%和5%TiO2納米粉末的復(fù)合材料，在聲波頻率為2 500 Hz處分別有吸聲系數(shù) 0.93、0.91、0.94和0.99的吸收峰；同時，相較于未添加TiO2納米粉末的復(fù)合材料，當(dāng)TiO2納米粉末質(zhì)量百分比為3%時，聲波頻率為1 000 Hz處的吸聲系數(shù)增加了41%。

高盧明[65]以聚砜(PSU)和聚氨酯(PU)為原料，使用高濕輔助靜電紡絲技術(shù)和熱誘導(dǎo)交聯(lián)工藝，制備得到具有三維蓬松結(jié)構(gòu)的PSU/PU超細(xì)纖維吸聲絮片，又在此基礎(chǔ)上引入了BIP交聯(lián)劑，制得PSU/PU/BIP超細(xì)纖維絮片，經(jīng)阻抗管法測試，交聯(lián)后的PSU/PU/BIP超細(xì)纖維絮片在聲波頻率為1 000 Hz和2 000 Hz時的吸聲系數(shù)分別達(dá)到了 0.837 和0.971。PSU/PU/BIP超細(xì)纖維絮片兼具了優(yōu)異的吸聲性能和超輕特性，是很好的吸聲材料。

3.3 氣凝膠

氣凝膠是在不改變凝膠本身三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的條件下，用氣體置換其中的液體溶劑而得到的一種納米多孔固體凝膠，具有高比表面積(100～1 600 m2/g)、高孔隙率(80.0%～99.9%)和低密度(0.003～0.400 g/cm3)等特點(diǎn)[66]。Oh等[67]就曾對定向拮抗氧化石墨烯-聚氨酯混合氣凝膠的吸聲性能進(jìn)行過研究。使用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維氣凝膠，是改善材料吸聲性能的方式之一。Cao等[68]將纖維素納米纖維與聚丙烯腈(PAN)靜電紡納米纖維網(wǎng)相結(jié)合，設(shè)計得到了具有迷宮狀微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米纖維氣凝膠。經(jīng)測試，該復(fù)合納米纖維氣凝膠的吸聲系數(shù)為0.58，是高效的吸聲材料，可應(yīng)用于車輛、建筑和室內(nèi)混響領(lǐng)域內(nèi)的吸聲。

4 結(jié) 語

靜電紡絲納米纖維材料在吸聲領(lǐng)域中已經(jīng)有了較長時間、較廣范圍的研究和應(yīng)用，其優(yōu)勢在于：

a)從靜電紡絲技術(shù)上看，該技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備簡單、原材料豐富、工藝可控且成本低廉，可以實現(xiàn)對連續(xù)納米纖維材料的高效、大規(guī)模生產(chǎn)。

b)從使用此技術(shù)制成的納米纖維上看，纖維具有高比表面積、高孔隙率的特點(diǎn)，能對中低頻區(qū)域的聲波形成有效防護(hù)。

c)從納米纖維膜/氈及其復(fù)合結(jié)構(gòu)、納米纖維氣凝膠上看，均能在一定程度上影響材料的吸聲效果，尤其是對中低頻區(qū)域吸聲系數(shù)的影響較為顯著。

d)從納米纖維材料的改性上看，適當(dāng)改變纖維的表觀或微觀形態(tài)，能提高最終所形成復(fù)合材料的吸聲能力。

目前靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料，較多使用溶液靜電紡絲法，對于熔體紡絲工藝的研究和應(yīng)用還相對較少。在生態(tài)環(huán)境綠色、可持續(xù)發(fā)展的趨勢下，使用熔體靜電紡絲這一綠色紡絲工藝制備納米纖維材料，將會有更加廣闊的發(fā)展前景。此外，對于靜電紡絲納米纖維基吸聲材料，在材料的復(fù)合方式、改性技術(shù)以及制備靜電紡絲納米纖維氣凝膠方面，還有待更加豐富和深入的研究。