李好義， 許 浩， 陳明軍， 楊 濤， 陳曉青， 閻 華， 楊衛(wèi)民

(1. 北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院， 北京 100029； 2. 北京化工大學(xué) 有機無機復(fù)合材料國家重點實驗室， 北京 100029； 3. 中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)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(yè)噪聲、建筑施工噪聲和社會生活噪聲。長期暴露在噪聲環(huán)境下會增加耳聾、糖尿病和心肌梗死的風(fēng)險。根據(jù)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(lǐng)域，根據(jù)吸聲機制的不同分為多孔材料吸聲和共振結(jié)構(gòu)吸聲。多孔吸聲材料通過多孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對低頻噪聲具有優(yōu)良的吸收效果，但其共振吸聲頻帶較窄，占據(jù)空間大。在穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)空腔內(nèi)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(xué)特性使其危害更大，處理更加困難。采用纖維細化技術(shù)制備出了高比表面積、質(zhì)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(yōu)良低頻吸聲性能的輕質(zhì)納米纖維，在200～600 Hz頻段平均吸聲系數(shù)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(xué)領(lǐng)域的發(fā)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(jié)了納米纖維復(fù)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(fā)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(nèi)部且相互貫通的孔或間隙，有利于聲波在材料內(nèi)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(nèi)部，會激發(fā)材料內(nèi)空氣來回運動，與多孔材料壁面的相對運動產(chǎn)生黏滯摩擦，使聲能不斷轉(zhuǎn)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(fā)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(dāng)吸聲材料的固有頻率與聲波頻率一致時，會引發(fā)強烈的共振現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(nèi)壁的熱交換更快；低頻聲波振動速度慢，會繞過材料產(chǎn)生低頻繞射現(xiàn)象，引起材料內(nèi)空氣與材料間的相對輕微運動，聲能消耗不明顯，所以常規(guī)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(zhuǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)的新型PU納米纖維吸聲材料，降噪系數(shù)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(shù)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(fā)現(xiàn)，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(qū)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(guān)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(jié)構(gòu)分布，通過影響空氣與纖維結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，增加面密度后材料共振明顯，高頻段的吸聲系數(shù)顯著提升。面密度過大過小都不利于吸聲性能的提升甚至?xí)a(chǎn)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(shù)峰值也有所減小。

2.4 納米纖維空間結(jié)構(gòu)

納米纖維通常是比較致密的二維平面結(jié)構(gòu)，通過材料改性和工藝創(chuàng)新可制備具有穩(wěn)定的三維空間結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)果表明，該三維納米纖維在全頻段吸聲能力明顯優(yōu)于商業(yè)棉，頻率為400 Hz時吸聲系數(shù)達到0.5，頻率為800 Hz時吸聲系數(shù)達到0.95，具有優(yōu)良的中低頻吸聲能力。Cao等[24]通過交聯(lián)技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、回彈性好的三維海綿狀輕質(zhì)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(shù)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(shù)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(lián)PS納米纖維回彈性能Fig.4 Resilience performance of cross-linked PS nanofiber

2.5 空腔結(jié)構(gòu)

納米纖維膜不僅是多孔材料，還能和其他結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jīng)濟性。有研究表明，空腔深度增加會使吸聲系數(shù)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(shù)的影響，其中PAN吸聲效果最好，當(dāng)空腔深度為50 mm時，750 Hz頻率的吸聲系數(shù)高達0.8。

3 納米纖維復(fù)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(shù)制備。該技術(shù)工藝簡單，可控性好，但生產(chǎn)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(fù)合使用。相比于溶液靜電紡絲技術(shù)，熔體靜電紡絲技術(shù)研究較少，但其可實現(xiàn)納米纖維的綠色高效制備[27]，研究團隊已實現(xiàn)500 nm范圍內(nèi)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(fù)合可顯著提高其中低頻段的吸聲能力，且復(fù)合輕薄納米層可帶來顯著的空間和成本優(yōu)勢，使其在航空航天、高鐵汽車等應(yīng)用領(lǐng)域極具潛力。

3.1 納米纖維與天然纖維復(fù)合吸聲材料

隨著材料制備技術(shù)的發(fā)展，納米纖維與常規(guī)吸聲材料復(fù)合可制備出寬頻范圍內(nèi)吸聲性能優(yōu)良的復(fù)合材料。天然纖維具有絕緣隔熱、綠色環(huán)保等優(yōu)點，但是阻燃防潮性能差。大多數(shù)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(fù)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(fù)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(wǎng)對羊毛吸聲性能的提升體現(xiàn)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(wǎng)分布松散很難阻隔中低頻段的聲波。Kucukali等[14]發(fā)現(xiàn)，黃麻復(fù)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(shù)均有顯著提升。穩(wěn)定的納米纖維結(jié)構(gòu)為聲波的轉(zhuǎn)化吸收提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。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(yōu)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(jié)構(gòu)更加穩(wěn)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(fù)合吸聲材料

相比于天然纖維，合成纖維化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(huán)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(shù)制備出復(fù)合吸聲材料，研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料厚度為68 mm時，平均吸聲系數(shù)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(fù)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(shè)置空腔結(jié)構(gòu)也可改善材料的中低頻吸聲性能，但對材料或結(jié)構(gòu)的厚度要求較高，存在材料成本增加、空間浪費嚴(yán)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(guī)吸聲材料的應(yīng)用范圍。

Zkal等[15]研究表明，在單層非織造布表面復(fù)合納米纖維薄層后在全頻段的吸聲系數(shù)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(fù)合后，在保證吸聲性能的同時，可節(jié)省近一半空間。此外，在雙層非織造布中間復(fù)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(fā)現(xiàn)，在聚酯纖維膜前后表面均復(fù)合納米纖維薄層與在其前表面復(fù)合納米纖維薄層的吸聲性能相似。

3.3 納米纖維與泡沫復(fù)合吸聲材料

泡沫具有大量深入材料內(nèi)部且相互貫通的開孔[33]，吸聲性能良好，應(yīng)用廣泛。其中多孔型聚氨酯泡沫質(zhì)輕且阻燃性能優(yōu)異，是目前市場上頗受歡迎的新型聲學(xué)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(yōu)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(yōu)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(fù)合材料的吸聲性能進一步提升。PVDF可將聲能轉(zhuǎn)化為電能的特殊性質(zhì)使其在吸聲降噪領(lǐng)域極具潛力。

4 展 望

納米纖維具有廣闊的應(yīng)用前景，其在吸聲降噪領(lǐng)域發(fā)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(chuàng)新工藝制備具有穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)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(huán)保，但阻燃與防潮性能差，與納米纖維制備阻燃防潮性能優(yōu)異的復(fù)合吸聲材料是拓寬其應(yīng)用的關(guān)鍵；3)溶液靜電紡技術(shù)生產(chǎn)效率低、涉及有毒溶劑使用，通過熔體靜電紡絲技術(shù)有望實現(xiàn)納米纖維吸聲材料的綠色高效制備。