一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于功能材料技術領域，公開了一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料及其制備方法。所述復合隔音材料由天然纖維素纖維和納米纖維所構成的復合纖維層復合得到。所述的納米纖維通過靜電紡絲制備。本發(fā)明將靜電紡絲所得納米級纖維與天然纖維素纖維結合，大大提高了復合材料的隔音性能，同時天然纖維素纖維以及可生物降解聚合物的使用滿足綠色環(huán)保的理念，使其具有良好的應用前景。
【專利說明】
一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于功能材料技術領域，具體涉及一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著經濟的發(fā)展，人民對生活水平和生活質量不斷的提升。建筑以及汽車工業(yè)也在飛速發(fā)展，帶動著隔音材料在居家、道路，特別是汽車等領域的普及應用。汽車隔音產品在汽車領域的主要作用是隔音、減振、保暖。市場分析2013年國內汽車隔音產品的總需求超過300億元，而且需求仍不斷增加。隔音產品所用的主體原料為各種廢纖維，再加入部分熱熔粉或熱熔纖維加工而成。但是這種隔音氈吸音、隔音效果一般。而隔音材料在建筑工程中的應用主要在隔音板、隔音墻、密封圈等，常用膨脹珍珠巖、礦物纖維、泡沫塑料等材料。但由于傳統的隔音材料厚度大、面密度大，使用材料廢棄后對環(huán)境有較大污染，限制了相關隔音產品的推廣使用。
[0003]對于降噪材料而言，密實厚重的材料其隔音性能好；多孔材料可以使聲波在材料中傳播引起粘性流動損失。現有降噪材料通過層疊的方法將各種聲學材料結合起來實現聲音在不同頻率下衰減的最大化。
[0004]靜電紡絲是一種簡單、靈活的制備纖維直徑為幾十到幾百納米的紡絲方法，其基本原理是:毛細管出口的聚合物溶液或熔體，以及自由表面的液體局部點在高壓靜電場的作用下，變形成為泰勒錐，當靜電排斥力超過液滴的表面張力時，泰勒錐的頂端處就會形成細流，并在電場的運動中得到進一步拉伸，同時隨著溶劑揮發(fā)(或者熔體冷卻)，得到納米纖維。通過靜電紡絲得到的納米纖維有著極小的直徑、高孔隙率、極大的比表面積以及優(yōu)秀的過濾效率等優(yōu)點，這些特性使納米纖維在生物醫(yī)藥、軍工、過濾、降噪領域有著重要用途。天然的纖維素纖維材料具有吸濕性好、強度高、變形能力小、防腐抑菌等特點，所以被廣泛用于衣物家紡等用品。但目前對天然的纖維素纖維和靜電紡絲得到的納米纖維進行復合制備隔音材料的研究卻鮮有報道。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的首要目的是為了改善現有材料低頻吸音隔音性能的不足，提供一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供上述纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料的制備方法。
[0007]本發(fā)明目的通過以下技術方案實現:
[0008]—種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料，所述復合隔音材料包含由天然纖維素纖維和納米纖維所構成的復合纖維層。
[0009]所述復合纖維層可以是天然纖維素纖維網層與納米纖維層復合得到，其中天然纖維素纖維網層由天然纖維素纖維針刺得到，天然纖維素纖維網層的克重為10?50g/m2，納米纖維層的克重為0.2?20g/m2;或是將覆有納米纖維的天然纖維素單纖維鋪疊針刺成網層得到，鋪疊針刺成網層的克重為10.2?70g/m2，其中納米纖維的復合量為0.2?20g/m2。
[0010]優(yōu)選地，所述復合隔音材料由多層上述復合纖維層疊加得到;所述復合隔音材料的克重為100?500g/m2。
[0011]所述天然纖維素纖維包括但不限于麻纖維、蔗渣纖維、椰殼纖維、木棉纖維、菠蘿葉纖維、棕櫚葉纖維、香蕉纖維、藕絲纖維以及竹原纖維，其中的麻纖維包括但不局限于黃麻纖維、苧麻纖維、羅布麻纖維、劍麻纖維、大麻纖維、亞麻纖維等。所有天然纖維素纖維均含有一定的空腔結構，其空腔面積占纖維截面總面積的5%?80%。
[0012]作為進一步的改進，所述的天然纖維素纖維是指經阻燃整理劑進行處理后的天然纖維素纖維;所述阻燃整理劑是指含有鹵素、N、P、S1、B等元素中至少一種的固體或者液體的阻燃整理劑。
[0013]所述納米纖維是指生物可降解高分子納米纖維，所述生物可降解高分子包括但不局限于聚乳酸(PLA)、聚己內酯(PCL)、聚羥基脂肪酸酯(PHA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚酯-聚醚共聚物、聚酯酰胺共聚物、聚二氧化碳等。所述納米纖維的纖維直徑為20?1500nm。
[0014]上述纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料的制備方法，包括如下制備步驟:
[0015](I)將天然纖維素纖維經過充分開梳，形成單纖維狀態(tài)后鋪疊針刺成天然纖維素纖維網層，以所得天然纖維素纖維網層為接收端，采用靜電紡絲工藝在天然纖維素纖維網層上制備納米纖維層，得到復合纖維層;或將天然纖維素纖維經過充分開梳，形成單纖維狀態(tài)后，以所得單纖維為接收端，通過靜電紡絲工藝和外界擾動風分散的方式將納米纖維覆于天然纖維素纖維單纖維上，再將其鋪疊針刺成網，得到復合纖維層；
[0016](2)將多層復合纖維層疊加復合，得到所述纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料。
[0017]優(yōu)選的，所述靜電紡絲包括針頭法靜電紡絲、自由表面靜電紡絲、離心靜電紡絲、熔噴靜電紡絲或閃蒸靜電紡絲。
[0018]優(yōu)選的，所述用于靜電紡絲的納米纖維材料可采用溶液或者熔體形式，其中溶液中納米纖維材料的有效質量濃度范圍為5%?50%。
[0019]優(yōu)選的，所述外界擾動風分散的擾動風溫度為20?40°C，相對濕度為25%?98%。
[0020]本發(fā)明的制備方法及所得到的產物具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0021](I)本發(fā)明所得復合隔音材料具有優(yōu)良的吸音隔音性能，其對500Hz聲源的吸收系數達到0.3以上，對I OOOHz聲源的吸收系數達到0.5以上。
[0022](2)本發(fā)明所得復合隔音材料采用天然纖維素纖維作為基材，天然纖維素纖維的空腔結構以及表面不規(guī)則的形態(tài)大大提高了材料吸音隔音性能。
[0023](3)本發(fā)明采用靜電紡絲得到微/納米纖維膜，所得到的納米纖維/顆粒功能層纖維直徑小、孔隙率高以及極大的比表面積，適于吸音隔音材料的應用。
[0024](4)本發(fā)明基材采用麻纖維等天然纖維素纖維，功能層采用可生物降解的聚合物制得，使得該高性能吸音隔音材料具有可全生物降解的特點，符合綠色環(huán)保的要求。
【具體實施方式】
[0025]下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0026]實施例1
[0027]在本實施例中，纖維素纖維采用黃麻纖維，空腔面積占纖維截面總面積的10%。黃麻纖維經過開梳處理形成單纖維狀優(yōu)質纖維，用含P液體阻燃整理劑對其進行處理，阻燃劑用量為1%，然后將其鋪疊針刺成網層，面密度為30g/m2。厚度為3_。
[0028]納米纖維層可采用針頭靜電紡絲成型制得，以聚乳酸作為納米纖維成纖原料。聚乳酸(PLA，Mw=3 X 105g/moI)真空干燥后(60 °C，12h)，采用氯仿為溶劑，配置成20 %的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡2h ο將配好的PLA溶液靜電紡絲成型，接收端為黃麻纖維網層，紡絲電壓為15kV，接收距離約為12cm，推進速度為0.5ml/h，得到覆有納米纖維層的黃麻復合纖維結構層。納米纖維直徑為600-1200nm，納米纖維層克重為10.5g/m2。將復合纖維結構層真空干燥后進行多層復合，得到克重為300g/m2的復合隔音氈層。由上述方法制得的復合隔音氈對500Hz聲源的吸收系數達到0.3以上，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.5以上，吸音性能較好。
[0029]實施例2
[0030]在本實施例中，纖維素纖維采用亞麻纖維，空腔面積占纖維截面總面積的20%。亞麻纖維經過開梳處理形成單纖維狀優(yōu)質纖維，用含Si液體阻燃整理劑對其進行處理，阻燃劑用量為1.5%，然后將其鋪疊針刺成網層，面密度為30g/m2。厚度為3_。
[0031]納米纖維層可采用針頭靜電紡絲成型制得，以聚乳酸作為納米纖維成纖原料。聚乳酸(PLA，Mw=3 X 105g/moI)真空干燥后(60 °C，12h)，采用氯仿為溶劑，配置成20 %的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡2h ο將配好的PLA溶液靜電紡絲成型，接收端為亞麻纖維網層，紡絲電壓為15kV，接收距離約為12cm，推進速度為0.5ml/h，得到覆有納米纖維層的亞麻復合纖維結構層。納米纖維直徑為600-1200nm，納米纖維層克重為10.2g/m2。將復合纖維結構層真空干燥后進行多層復合，得到克重為295g/m2的復合隔音氈層。由上述方法制得的復合隔音氈對500Hz聲源的吸收系數達到0.31，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.52，吸音性能較好。
[0032]實施例3
[0033]在本實施例中，纖維素纖維采用菠蘿麻纖維，空腔面積占纖維截面總面積的15%。菠蘿麻纖維經過開梳處理形成單纖維狀優(yōu)質纖維，用含N固體阻燃整理劑對其進行處理，阻燃劑用量為3%，然后將其鋪疊針刺成網層，面密度為30g/m2。厚度為3_。
[0034]納米纖維層可采用自由表面靜電紡絲成型制得，以聚羥基脂肪酸酯作為納米纖維成纖原料。聚羥基脂肪酸酯(特性黏數0.7-0.9)，真空干燥后(60°C，12h)，采用THF:DMAc(9:1)為混合溶劑，配置成20%的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡lh。將配好的聚羥基脂肪酸酯溶液靜電紡絲成型，接收端為菠蘿麻纖維網層，紡絲電壓為60kV，接收距離約為18cm，轉子轉速為20r/min，得到覆有納米纖維層的菠蘿麻復合纖維結構層。納米纖維直徑為100-500nm，納米纖維層克重為9.8g/m2。將復合纖維結構層真空干燥后進行多層復合，得到克重為290g/m2的復合隔音氈層。由上述方法制得的復合隔音氈對500Hz聲源的吸收系數達到0.30，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.50，吸音性能較好。
[0035]實施例4
[0036]在本實施例中，纖維素纖維采用劍麻纖維，空腔面積占纖維截面總面積的25%。劍麻纖維經過開梳處理形成單纖維狀優(yōu)質纖維，用含B固體阻燃整理劑對其進行處理，阻燃劑用量為4%，然后將其鋪疊針刺成網層，面密度為30g/m2。厚度為3_。
[0037]納米纖維層可采用熔噴靜電紡絲成型制得，以聚己內酯作為納米纖維成纖原料。聚己內酯(？(^爲=8\10/11101)真空干燥后(60°(:，1211)，加熱熔融。將?(^熔體進行熔噴靜電紡絲成型，接收端為劍麻纖維網層，紡絲電壓為15kV，接收距離約為12cm，推進速度為0.5ml/h，得到覆有納米纖維層的劍麻復合纖維結構層。納米纖維直徑為200-1200nm，納米纖維層克重為10.7g/m2。將復合纖維結構層真空干燥后進行多層復合，得到克重為315g/m2的復合隔音氈層。由上述方法制得的復合隔音氈對500Hz聲源的吸收系數達到0.38，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.56，吸音性能較好。
[0038]實施例5
[0039]在本實施例中，纖維素纖維采用蔗渣纖維，空腔面積占纖維截面總面積的32%。蔗渣纖維經過開梳處理形成單纖維狀優(yōu)質纖維，用含P液體阻燃整理劑對其進行處理，阻燃劑用量為0.5%。
[0040]納米纖維層可采用自由表面靜電紡絲成型制得，以聚乳酸作為納米纖維成纖原料。聚乳酸(？1^爲=3\1(^/11101)真空干燥后(60°(:，1211)，采用氯仿為溶劑，配置成20%的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡2h。將配好的PLA溶液靜電紡絲成型，接收端為蔗渣單纖維，紡絲電壓為60kV，接收距離約為15cm，外界擾動風的溫度為35°C，相對濕度為55%，得到覆有PLA靜電紡納米纖維的蔗渣單纖維，PLA納米纖維直徑為300-1000nm。干燥后，將覆有PLA靜電紡納米纖維的蔗渣單纖維鋪疊針刺成網，得到復合纖維層，所得復合纖維層的單位克重相比未覆有納米纖維的蔗渣單纖網增加10.6g/m2。然后將多層復合纖維結構層制成克重為320g/m2的復合隔音氈層，即為所述纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料。由上述方法制得的復合隔音氈對500Hz聲源的吸收系數達到0.36，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.57，吸音性能較好。
[0041 ] 實施例6
[0042]在本實施例中，纖維素纖維采用木棉纖維，空腔面積占纖維截面總面積的10%。木棉纖維經過開梳處理形成單纖維狀優(yōu)質纖維，用含P液體阻燃整理劑對其進行處理，阻燃劑用量為1%，然后將其鋪疊針刺成網層，面密度為30g/m2。厚度為3_。
[0043]納米纖維層可采用針頭靜電紡絲成型制得，以聚乳酸和聚己內酯作為納米纖維成纖原料。聚乳酸(PLA，Mw = 3 X 105g/mol)和聚己內酯(PCL，Mw = 8 X 104g/mol)質量比為(4:1)，真空干燥后(60°C，12h)，采用氯仿:DMF(4:1)為溶劑，配置成14%的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡2h。將配好的PLA/PCL溶液靜電紡絲成型，接收端為木棉纖維網層，紡絲電壓為15kV，接收距離約為12cm，推進速度為0.5ml/h，得到覆有納米纖維層的木棉復合纖維結構層。納米纖維直徑為400-1500nm，納米纖維層克重為10.1g/m2。將復合纖維結構層真空干燥后進行多層復合，得到克重為300g/m2的復合隔音氈層。由上述方法制得的復合隔音氈對500Hz聲源的吸收系數達到0.31，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.52，吸音性能較好。
[0044]實施例7
[0045]在本實施例中，纖維素纖維采用竹原纖維，空腔面積占纖維截面總面積的45%。竹原纖維經過開梳處理形成單纖維狀優(yōu)質纖維，用含N液體阻燃整理劑對其進行處理，阻燃劑用量為5%。
[0046]納米纖維層可采用針頭靜電紡絲成型制得，以聚乳酸作為納米纖維成纖原料。聚乳酸(PLA，Mw=3 X 105g/moI)真空干燥后(60 °C，12h)，采用氯仿為溶劑，配置成20 %的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡2h。將配好的PLA溶液靜電紡絲成型，接收端為竹原單纖維，紡絲電壓為151^，接收距離約為12011，推進速度為0.51]11/11，外界擾動風的溫度為30°(:，相對濕度為50%，得到覆有直徑為600-1200nm納米纖維的竹原單纖維。干燥后，將覆有納米纖維的竹原單纖維鋪疊針刺成網，得到復合纖維層，所得復合纖維層的單位克重相比未覆有納米纖維的竹原單纖網增加10.lg/m2。將所得復合纖維層經多層復合，得到克重為306g/m2的復合隔音氈層。由上述方法制得的復合隔音氈對500Hz聲源的吸收系數達到0.30，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.51，吸音性能較好。
[0047]實施例8
[0048]在本實施例中，纖維素纖維采用藕絲纖維，空腔面積占纖維截面總面積的5%。藕絲纖維經過開梳處理形成單纖維狀優(yōu)質纖維，用含N液體阻燃整理劑對其進行處理，阻燃劑用量為1%。
[0049]納米纖維層可采用針頭靜電紡絲成型制得，以聚酯酰胺共聚物作為納米纖維成纖原料。聚酯酰胺共聚物真空干燥后(60°C，12h)，采用氯仿為溶劑，配置成15%的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡2h。將配好的PEA共聚物溶液靜電紡絲成型，接收端為藕絲單纖維，紡絲電壓為15kV，接收距離約為12cm，推進速度為0.5ml/h，外界擾動風的溫度為30 °C，相對濕度為50%，得到覆有直徑為600-1200nm納米纖維的藕絲單纖維。干燥后，將覆有納米纖維的藕絲單纖維鋪疊針刺成網，得到復合纖維層，所得復合纖維層的單位克重相比未覆有納米纖維的藕絲單纖網增加10.3g/m2。將所得復合纖維層經多層復合，得到克重為310g/m2的復合隔音氈層。由上述方法制得的復合隔音氈對500Hz聲源的吸收系數達到0.32，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.53，吸音性能較好。
[0050]實施例9
[0051]在本實施例中，纖維素纖維采用香蕉纖維和藕絲纖維混合纖維，香蕉纖維空腔面積占纖維截面總面積的8%，藕絲纖維空腔面積占纖維截面總面積的5%。香蕉纖維和藕絲纖維經過開梳處理形成單纖維狀優(yōu)質纖維，用含鹵固體阻燃整理劑對其進行處理，阻燃劑用量為1%。
[0052]納米纖維層可采用閃蒸靜電紡絲成型制得，以聚己內酯作為納米纖維成纖原料。聚己內酯(？卬，1^=8\10/11101)真空干燥后(60°(:，1211)，采用氯仿為溶劑，配置成15%的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡2h ο將配好的PC溶液進行閃蒸靜電紡絲成型，接收端為香蕉麻單纖維和藕絲單纖維混合纖維，紡絲電壓為15kV，接收距離約為15cm，外界擾動風的溫度為35°C，相對濕度為55%，得到覆有PCL靜電紡納米纖維的香蕉麻單纖維和藕絲單纖維混合纖維，PCL納米纖維直徑為500-1200nm。干燥后，將覆有納米纖維的香蕉麻單纖維和藕絲單纖維混合纖維鋪疊針刺成網，得到復合纖維層，所得復合纖維層的單位克重相比未覆有納米纖維的香蕉麻單纖維和藕絲單纖維混合纖維網增加10.4g/m2。然后將多層復合纖維結構層制成克重為302g/m2的復合隔音氈層，即為所述纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料。由上述方法制得的復合隔音氈對500Hz聲源的吸收系數達到0.32，對1000Hz聲源的吸收系數達至Ij0.51，吸音性能較好。
[0053]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料，其特征在于:所述復合隔音材料包含由天然纖維素纖維和納米纖維所構成的復合纖維層。2.根據權利要求1所述的一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料，其特征在于:所述復合纖維層通過天然纖維素纖維網層與納米纖維層復合得到，其中天然纖維素纖維網層由天然纖維素纖維針刺得到，天然纖維素纖維網層的克重為10?50g/m2，納米纖維層的克重為0.2?20g/m2;或所述復合纖維層是將覆有納米纖維的天然纖維素單纖維鋪疊針刺成網層得到，鋪疊針刺成網層的克重為10.2?70g/m2，其中納米纖維的復合量為0.2?20g/m2。3.根據權利要求1或2所述的一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料，其特征在于:所述復合隔音材料由多層復合纖維層疊加得到；所述復合隔音材料的克重為100?500g/m2o4.根據權利要求1或2所述的一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料，其特征在于:所述天然纖維素纖維是指麻纖維、蔗渣纖維、椰殼纖維、木棉纖維、菠蘿葉纖維、棕櫚葉纖維、香蕉纖維、藕絲纖維和竹原纖維中的至少一種;所述麻纖維包括黃麻纖維、苧麻纖維、羅布麻纖維、劍麻纖維、大麻纖維或亞麻纖維;所述天然纖維素纖維均含有一定的空腔結構，其空腔面積占纖維截面總面積的5 %?80 %。5.根據權利要求1或2所述的一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料，其特征在于:所述的天然纖維素纖維是指經阻燃整理劑進行處理后的天然纖維素纖維;所述阻燃整理劑是指含有鹵素、N、P、S1、B元素中至少一種的固體或者液體的阻燃整理劑。6.根據權利要求1或2所述的一種纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料，其特征在于:所述納米纖維是指生物可降解高分子納米纖維，所述生物可降解高分子是指聚乳酸、聚己內酯、聚羥基脂肪酸酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚酯-聚醚共聚物、聚酯酰胺共聚物和聚二氧化碳中的至少一種;所述納米纖維的纖維直徑為20?1500nm。7.權利要求1?6任一項所述的纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料的制備方法，其特征在于包括如下制備步驟: (1)將天然纖維素纖維經過充分開梳，形成單纖維狀態(tài)后鋪疊針刺成天然纖維素纖維網層，以所得天然纖維素纖維網層為接收端，采用靜電紡絲工藝在天然纖維素纖維網層上制備納米纖維層，得到復合纖維層；或將天然纖維素纖維經過充分開梳，形成單纖維狀態(tài)后，以所得單纖維為接收端，通過靜電紡絲工藝和外界擾動風分散的方式將納米纖維覆于天然纖維素纖維單纖維上，再將其鋪疊針刺成網，得到復合纖維層； (2)將多層復合纖維層疊加復合，得到所述纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料。8.根據權利要求7所述的纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料的制備方法，其特征在于:所述靜電紡絲包括針頭法靜電紡絲、自由表面靜電紡絲、離心靜電紡絲、熔噴靜電紡絲或閃蒸靜電紡絲;所述用于靜電紡絲的納米纖維材料采用溶液或者熔體形式，其中溶液中納米纖維材料的有效質量濃度范圍為5%?50%。9.根據權利要求7所述的纖維素纖維和納米纖維復合隔音材料的制備方法，其特征在于:所述外界擾動風分散的擾動風溫度為20?400C，相對濕度為25%?98%。
【文檔編號】D04H1/425GK106048885SQ201610502911
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】嚴玉蓉, 郭健, 歐陽業(yè)東, 苗振興, 張文韜, 蔣智杰, 邱志明, 李曉春, 陽業(yè)林
【申請人】華南理工大學, 廣州市三泰汽車內飾材料有限公司