一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料及其制备方法
【专利摘要】本发明属于功能材料技术领域，公开了一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料及其制备方法。所述复合隔音材料由天然纤维素纤维和纳米纤维所构成的复合纤维层复合得到。所述的纳米纤维通过静电纺丝制备。本发明将静电纺丝所得纳米级纤维与天然纤维素纤维结合，大大提高了复合材料的隔音性能，同时天然纤维素纤维以及可生物降解聚合物的使用满足绿色环保的理念，使其具有良好的应用前景。
【专利说明】
一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着经济的发展，人民对生活水平和生活质量不断的提升。建筑以及汽车工业也在飞速发展，带动着隔音材料在居家、道路，特别是汽车等领域的普及应用。汽车隔音产品在汽车领域的主要作用是隔音、减振、保暖。市场分析2013年国内汽车隔音产品的总需求超过300亿元，而且需求仍不断增加。隔音产品所用的主体原料为各种废纤维，再加入部分热熔粉或热熔纤维加工而成。但是这种隔音毡吸音、隔音效果一般。而隔音材料在建筑工程中的应用主要在隔音板、隔音墙、密封圈等，常用膨胀珍珠岩、矿物纤维、泡沫塑料等材料。但由于传统的隔音材料厚度大、面密度大，使用材料废弃后对环境有较大污染，限制了相关隔音产品的推广使用。
[0003]对于降噪材料而言，密实厚重的材料其隔音性能好；多孔材料可以使声波在材料中传播引起粘性流动损失。现有降噪材料通过层叠的方法将各种声学材料结合起来实现声音在不同频率下衰减的最大化。
[0004]静电纺丝是一种简单、灵活的制备纤维直径为几十到几百纳米的纺丝方法，其基本原理是:毛细管出口的聚合物溶液或熔体，以及自由表面的液体局部点在高压静电场的作用下，变形成为泰勒锥，当静电排斥力超过液滴的表面张力时，泰勒锥的顶端处就会形成细流，并在电场的运动中得到进一步拉伸，同时随着溶剂挥发(或者熔体冷却)，得到纳米纤维。通过静电纺丝得到的纳米纤维有着极小的直径、高孔隙率、极大的比表面积以及优秀的过滤效率等优点，这些特性使纳米纤维在生物医药、军工、过滤、降噪领域有着重要用途。天然的纤维素纤维材料具有吸湿性好、强度高、变形能力小、防腐抑菌等特点，所以被广泛用于衣物家纺等用品。但目前对天然的纤维素纤维和静电纺丝得到的纳米纤维进行复合制备隔音材料的研究却鲜有报道。
【发明内容】
[0005]本发明的首要目的是为了改善现有材料低频吸音隔音性能的不足，提供一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料。
[0006]本发明的另一目的在于提供上述纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料的制备方法。
[0007]本发明目的通过以下技术方案实现:
[0008]—种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料，所述复合隔音材料包含由天然纤维素纤维和纳米纤维所构成的复合纤维层。
[0009]所述复合纤维层可以是天然纤维素纤维网层与纳米纤维层复合得到，其中天然纤维素纤维网层由天然纤维素纤维针刺得到，天然纤维素纤维网层的克重为10?50g/m2，纳米纤维层的克重为0.2?20g/m2;或是将覆有纳米纤维的天然纤维素单纤维铺叠针刺成网层得到，铺叠针刺成网层的克重为10.2?70g/m2，其中纳米纤维的复合量为0.2?20g/m2。
[0010]优选地，所述复合隔音材料由多层上述复合纤维层叠加得到;所述复合隔音材料的克重为100?500g/m2。
[0011]所述天然纤维素纤维包括但不限于麻纤维、蔗渣纤维、椰壳纤维、木棉纤维、菠萝叶纤维、棕榈叶纤维、香蕉纤维、藕丝纤维以及竹原纤维，其中的麻纤维包括但不局限于黄麻纤维、苎麻纤维、罗布麻纤维、剑麻纤维、大麻纤维、亚麻纤维等。所有天然纤维素纤维均含有一定的空腔结构，其空腔面积占纤维截面总面积的5%?80%。
[0012]作为进一步的改进，所述的天然纤维素纤维是指经阻燃整理剂进行处理后的天然纤维素纤维;所述阻燃整理剂是指含有卤素、N、P、S1、B等元素中至少一种的固体或者液体的阻燃整理剂。
[0013]所述纳米纤维是指生物可降解高分子纳米纤维，所述生物可降解高分子包括但不局限于聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚羟基脂肪酸酯(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。所述纳米纤维的纤维直径为20?1500nm。
[0014]上述纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料的制备方法，包括如下制备步骤:
[0015](I)将天然纤维素纤维经过充分开梳，形成单纤维状态后铺叠针刺成天然纤维素纤维网层，以所得天然纤维素纤维网层为接收端，采用静电纺丝工艺在天然纤维素纤维网层上制备纳米纤维层，得到复合纤维层;或将天然纤维素纤维经过充分开梳，形成单纤维状态后，以所得单纤维为接收端，通过静电纺丝工艺和外界扰动风分散的方式将纳米纤维覆于天然纤维素纤维单纤维上，再将其铺叠针刺成网，得到复合纤维层；
[0016](2)将多层复合纤维层叠加复合，得到所述纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料。
[0017]优选的，所述静电纺丝包括针头法静电纺丝、自由表面静电纺丝、离心静电纺丝、熔喷静电纺丝或闪蒸静电纺丝。
[0018]优选的，所述用于静电纺丝的纳米纤维材料可采用溶液或者熔体形式，其中溶液中纳米纤维材料的有效质量浓度范围为5%?50%。
[0019]优选的，所述外界扰动风分散的扰动风温度为20?40°C，相对湿度为25%?98%。
[0020]本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果:
[0021](I)本发明所得复合隔音材料具有优良的吸音隔音性能，其对500Hz声源的吸收系数达到0.3以上，对I OOOHz声源的吸收系数达到0.5以上。
[0022](2)本发明所得复合隔音材料采用天然纤维素纤维作为基材，天然纤维素纤维的空腔结构以及表面不规则的形态大大提高了材料吸音隔音性能。
[0023](3)本发明采用静电纺丝得到微/纳米纤维膜，所得到的纳米纤维/颗粒功能层纤维直径小、孔隙率高以及极大的比表面积，适于吸音隔音材料的应用。
[0024](4)本发明基材采用麻纤维等天然纤维素纤维，功能层采用可生物降解的聚合物制得，使得该高性能吸音隔音材料具有可全生物降解的特点，符合绿色环保的要求。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0026]实施例1
[0027]在本实施例中，纤维素纤维采用黄麻纤维，空腔面积占纤维截面总面积的10%。黄麻纤维经过开梳处理形成单纤维状优质纤维，用含P液体阻燃整理剂对其进行处理，阻燃剂用量为1%，然后将其铺叠针刺成网层，面密度为30g/m2。厚度为3_。
[0028]纳米纤维层可采用针头静电纺丝成型制得，以聚乳酸作为纳米纤维成纤原料。聚乳酸(PLA，Mw=3 X 105g/moI)真空干燥后(60 °C，12h)，采用氯仿为溶剂，配置成20 %的溶液，磁力搅拌4h，静置脱泡2h ο将配好的PLA溶液静电纺丝成型，接收端为黄麻纤维网层，纺丝电压为15kV，接收距离约为12cm，推进速度为0.5ml/h，得到覆有纳米纤维层的黄麻复合纤维结构层。纳米纤维直径为600-1200nm，纳米纤维层克重为10.5g/m2。将复合纤维结构层真空干燥后进行多层复合，得到克重为300g/m2的复合隔音毡层。由上述方法制得的复合隔音毡对500Hz声源的吸收系数达到0.3以上，对1000Hz声源的吸收系数达到0.5以上，吸音性能较好。
[0029]实施例2
[0030]在本实施例中，纤维素纤维采用亚麻纤维，空腔面积占纤维截面总面积的20%。亚麻纤维经过开梳处理形成单纤维状优质纤维，用含Si液体阻燃整理剂对其进行处理，阻燃剂用量为1.5%，然后将其铺叠针刺成网层，面密度为30g/m2。厚度为3_。
[0031]纳米纤维层可采用针头静电纺丝成型制得，以聚乳酸作为纳米纤维成纤原料。聚乳酸(PLA，Mw=3 X 105g/moI)真空干燥后(60 °C，12h)，采用氯仿为溶剂，配置成20 %的溶液，磁力搅拌4h，静置脱泡2h ο将配好的PLA溶液静电纺丝成型，接收端为亚麻纤维网层，纺丝电压为15kV，接收距离约为12cm，推进速度为0.5ml/h，得到覆有纳米纤维层的亚麻复合纤维结构层。纳米纤维直径为600-1200nm，纳米纤维层克重为10.2g/m2。将复合纤维结构层真空干燥后进行多层复合，得到克重为295g/m2的复合隔音毡层。由上述方法制得的复合隔音毡对500Hz声源的吸收系数达到0.31，对1000Hz声源的吸收系数达到0.52，吸音性能较好。
[0032]实施例3
[0033]在本实施例中，纤维素纤维采用菠萝麻纤维，空腔面积占纤维截面总面积的15%。菠萝麻纤维经过开梳处理形成单纤维状优质纤维，用含N固体阻燃整理剂对其进行处理，阻燃剂用量为3%，然后将其铺叠针刺成网层，面密度为30g/m2。厚度为3_。
[0034]纳米纤维层可采用自由表面静电纺丝成型制得，以聚羟基脂肪酸酯作为纳米纤维成纤原料。聚羟基脂肪酸酯(特性黏数0.7-0.9)，真空干燥后(60°C，12h)，采用THF:DMAc(9:1)为混合溶剂，配置成20%的溶液，磁力搅拌4h，静置脱泡lh。将配好的聚羟基脂肪酸酯溶液静电纺丝成型，接收端为菠萝麻纤维网层，纺丝电压为60kV，接收距离约为18cm，转子转速为20r/min，得到覆有纳米纤维层的菠萝麻复合纤维结构层。纳米纤维直径为100-500nm，纳米纤维层克重为9.8g/m2。将复合纤维结构层真空干燥后进行多层复合，得到克重为290g/m2的复合隔音毡层。由上述方法制得的复合隔音毡对500Hz声源的吸收系数达到0.30，对1000Hz声源的吸收系数达到0.50，吸音性能较好。
[0035]实施例4
[0036]在本实施例中，纤维素纤维采用剑麻纤维，空腔面积占纤维截面总面积的25%。剑麻纤维经过开梳处理形成单纤维状优质纤维，用含B固体阻燃整理剂对其进行处理，阻燃剂用量为4%，然后将其铺叠针刺成网层，面密度为30g/m2。厚度为3_。
[0037]纳米纤维层可采用熔喷静电纺丝成型制得，以聚己内酯作为纳米纤维成纤原料。聚己内酯(？(^爲=8\10/11101)真空干燥后(60°(:，1211)，加热熔融。将?(^熔体进行熔喷静电纺丝成型，接收端为剑麻纤维网层，纺丝电压为15kV，接收距离约为12cm，推进速度为0.5ml/h，得到覆有纳米纤维层的剑麻复合纤维结构层。纳米纤维直径为200-1200nm，纳米纤维层克重为10.7g/m2。将复合纤维结构层真空干燥后进行多层复合，得到克重为315g/m2的复合隔音毡层。由上述方法制得的复合隔音毡对500Hz声源的吸收系数达到0.38，对1000Hz声源的吸收系数达到0.56，吸音性能较好。
[0038]实施例5
[0039]在本实施例中，纤维素纤维采用蔗渣纤维，空腔面积占纤维截面总面积的32%。蔗渣纤维经过开梳处理形成单纤维状优质纤维，用含P液体阻燃整理剂对其进行处理，阻燃剂用量为0.5%。
[0040]纳米纤维层可采用自由表面静电纺丝成型制得，以聚乳酸作为纳米纤维成纤原料。聚乳酸(？1^爲=3\1(^/11101)真空干燥后(60°(:，1211)，采用氯仿为溶剂，配置成20%的溶液，磁力搅拌4h，静置脱泡2h。将配好的PLA溶液静电纺丝成型，接收端为蔗渣单纤维，纺丝电压为60kV，接收距离约为15cm，外界扰动风的温度为35°C，相对湿度为55%，得到覆有PLA静电纺纳米纤维的蔗渣单纤维，PLA纳米纤维直径为300-1000nm。干燥后，将覆有PLA静电纺纳米纤维的蔗渣单纤维铺叠针刺成网，得到复合纤维层，所得复合纤维层的单位克重相比未覆有纳米纤维的蔗渣单纤网增加10.6g/m2。然后将多层复合纤维结构层制成克重为320g/m2的复合隔音毡层，即为所述纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料。由上述方法制得的复合隔音毡对500Hz声源的吸收系数达到0.36，对1000Hz声源的吸收系数达到0.57，吸音性能较好。
[0041 ] 实施例6
[0042]在本实施例中，纤维素纤维采用木棉纤维，空腔面积占纤维截面总面积的10%。木棉纤维经过开梳处理形成单纤维状优质纤维，用含P液体阻燃整理剂对其进行处理，阻燃剂用量为1%，然后将其铺叠针刺成网层，面密度为30g/m2。厚度为3_。
[0043]纳米纤维层可采用针头静电纺丝成型制得，以聚乳酸和聚己内酯作为纳米纤维成纤原料。聚乳酸(PLA，Mw = 3 X 105g/mol)和聚己内酯(PCL，Mw = 8 X 104g/mol)质量比为(4:1)，真空干燥后(60°C，12h)，采用氯仿:DMF(4:1)为溶剂，配置成14%的溶液，磁力搅拌4h，静置脱泡2h。将配好的PLA/PCL溶液静电纺丝成型，接收端为木棉纤维网层，纺丝电压为15kV，接收距离约为12cm，推进速度为0.5ml/h，得到覆有纳米纤维层的木棉复合纤维结构层。纳米纤维直径为400-1500nm，纳米纤维层克重为10.1g/m2。将复合纤维结构层真空干燥后进行多层复合，得到克重为300g/m2的复合隔音毡层。由上述方法制得的复合隔音毡对500Hz声源的吸收系数达到0.31，对1000Hz声源的吸收系数达到0.52，吸音性能较好。
[0044]实施例7
[0045]在本实施例中，纤维素纤维采用竹原纤维，空腔面积占纤维截面总面积的45%。竹原纤维经过开梳处理形成单纤维状优质纤维，用含N液体阻燃整理剂对其进行处理，阻燃剂用量为5%。
[0046]纳米纤维层可采用针头静电纺丝成型制得，以聚乳酸作为纳米纤维成纤原料。聚乳酸(PLA，Mw=3 X 105g/moI)真空干燥后(60 °C，12h)，采用氯仿为溶剂，配置成20 %的溶液，磁力搅拌4h，静置脱泡2h。将配好的PLA溶液静电纺丝成型，接收端为竹原单纤维，纺丝电压为151^，接收距离约为12011，推进速度为0.51]11/11，外界扰动风的温度为30°(:，相对湿度为50%，得到覆有直径为600-1200nm纳米纤维的竹原单纤维。干燥后，将覆有纳米纤维的竹原单纤维铺叠针刺成网，得到复合纤维层，所得复合纤维层的单位克重相比未覆有纳米纤维的竹原单纤网增加10.lg/m2。将所得复合纤维层经多层复合，得到克重为306g/m2的复合隔音毡层。由上述方法制得的复合隔音毡对500Hz声源的吸收系数达到0.30，对1000Hz声源的吸收系数达到0.51，吸音性能较好。
[0047]实施例8
[0048]在本实施例中，纤维素纤维采用藕丝纤维，空腔面积占纤维截面总面积的5%。藕丝纤维经过开梳处理形成单纤维状优质纤维，用含N液体阻燃整理剂对其进行处理，阻燃剂用量为1%。
[0049]纳米纤维层可采用针头静电纺丝成型制得，以聚酯酰胺共聚物作为纳米纤维成纤原料。聚酯酰胺共聚物真空干燥后(60°C，12h)，采用氯仿为溶剂，配置成15%的溶液，磁力搅拌4h，静置脱泡2h。将配好的PEA共聚物溶液静电纺丝成型，接收端为藕丝单纤维，纺丝电压为15kV，接收距离约为12cm，推进速度为0.5ml/h，外界扰动风的温度为30 °C，相对湿度为50%，得到覆有直径为600-1200nm纳米纤维的藕丝单纤维。干燥后，将覆有纳米纤维的藕丝单纤维铺叠针刺成网，得到复合纤维层，所得复合纤维层的单位克重相比未覆有纳米纤维的藕丝单纤网增加10.3g/m2。将所得复合纤维层经多层复合，得到克重为310g/m2的复合隔音毡层。由上述方法制得的复合隔音毡对500Hz声源的吸收系数达到0.32，对1000Hz声源的吸收系数达到0.53，吸音性能较好。
[0050]实施例9
[0051]在本实施例中，纤维素纤维采用香蕉纤维和藕丝纤维混合纤维，香蕉纤维空腔面积占纤维截面总面积的8%，藕丝纤维空腔面积占纤维截面总面积的5%。香蕉纤维和藕丝纤维经过开梳处理形成单纤维状优质纤维，用含卤固体阻燃整理剂对其进行处理，阻燃剂用量为1%。
[0052]纳米纤维层可采用闪蒸静电纺丝成型制得，以聚己内酯作为纳米纤维成纤原料。聚己内酯(？卬，1^=8\10/11101)真空干燥后(60°(:，1211)，采用氯仿为溶剂，配置成15%的溶液，磁力搅拌4h，静置脱泡2h ο将配好的PC溶液进行闪蒸静电纺丝成型，接收端为香蕉麻单纤维和藕丝单纤维混合纤维，纺丝电压为15kV，接收距离约为15cm，外界扰动风的温度为35°C，相对湿度为55%，得到覆有PCL静电纺纳米纤维的香蕉麻单纤维和藕丝单纤维混合纤维，PCL纳米纤维直径为500-1200nm。干燥后，将覆有纳米纤维的香蕉麻单纤维和藕丝单纤维混合纤维铺叠针刺成网，得到复合纤维层，所得复合纤维层的单位克重相比未覆有纳米纤维的香蕉麻单纤维和藕丝单纤维混合纤维网增加10.4g/m2。然后将多层复合纤维结构层制成克重为302g/m2的复合隔音毡层，即为所述纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料。由上述方法制得的复合隔音毡对500Hz声源的吸收系数达到0.32，对1000Hz声源的吸收系数达至Ij0.51，吸音性能较好。
[0053]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料，其特征在于:所述复合隔音材料包含由天然纤维素纤维和纳米纤维所构成的复合纤维层。2.根据权利要求1所述的一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料，其特征在于:所述复合纤维层通过天然纤维素纤维网层与纳米纤维层复合得到，其中天然纤维素纤维网层由天然纤维素纤维针刺得到，天然纤维素纤维网层的克重为10?50g/m2，纳米纤维层的克重为0.2?20g/m2;或所述复合纤维层是将覆有纳米纤维的天然纤维素单纤维铺叠针刺成网层得到，铺叠针刺成网层的克重为10.2?70g/m2，其中纳米纤维的复合量为0.2?20g/m2。3.根据权利要求1或2所述的一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料，其特征在于:所述复合隔音材料由多层复合纤维层叠加得到；所述复合隔音材料的克重为100?500g/m2o4.根据权利要求1或2所述的一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料，其特征在于:所述天然纤维素纤维是指麻纤维、蔗渣纤维、椰壳纤维、木棉纤维、菠萝叶纤维、棕榈叶纤维、香蕉纤维、藕丝纤维和竹原纤维中的至少一种;所述麻纤维包括黄麻纤维、苎麻纤维、罗布麻纤维、剑麻纤维、大麻纤维或亚麻纤维;所述天然纤维素纤维均含有一定的空腔结构，其空腔面积占纤维截面总面积的5 %?80 %。5.根据权利要求1或2所述的一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料，其特征在于:所述的天然纤维素纤维是指经阻燃整理剂进行处理后的天然纤维素纤维;所述阻燃整理剂是指含有卤素、N、P、S1、B元素中至少一种的固体或者液体的阻燃整理剂。6.根据权利要求1或2所述的一种纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料，其特征在于:所述纳米纤维是指生物可降解高分子纳米纤维，所述生物可降解高分子是指聚乳酸、聚己内酯、聚羟基脂肪酸酯、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种;所述纳米纤维的纤维直径为20?1500nm。7.权利要求1?6任一项所述的纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤: (1)将天然纤维素纤维经过充分开梳，形成单纤维状态后铺叠针刺成天然纤维素纤维网层，以所得天然纤维素纤维网层为接收端，采用静电纺丝工艺在天然纤维素纤维网层上制备纳米纤维层，得到复合纤维层；或将天然纤维素纤维经过充分开梳，形成单纤维状态后，以所得单纤维为接收端，通过静电纺丝工艺和外界扰动风分散的方式将纳米纤维覆于天然纤维素纤维单纤维上，再将其铺叠针刺成网，得到复合纤维层； (2)将多层复合纤维层叠加复合，得到所述纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料。8.根据权利要求7所述的纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料的制备方法，其特征在于:所述静电纺丝包括针头法静电纺丝、自由表面静电纺丝、离心静电纺丝、熔喷静电纺丝或闪蒸静电纺丝;所述用于静电纺丝的纳米纤维材料采用溶液或者熔体形式，其中溶液中纳米纤维材料的有效质量浓度范围为5%?50%。9.根据权利要求7所述的纤维素纤维和纳米纤维复合隔音材料的制备方法，其特征在于:所述外界扰动风分散的扰动风温度为20?400C，相对湿度为25%?98%。
【文档编号】D04H1/425GK106048885SQ201610502911
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】严玉蓉, 郭健, 欧阳业东, 苗振兴, 张文韬, 蒋智杰, 邱志明, 李晓春, 阳业林
【申请人】华南理工大学, 广州市三泰汽车内饰材料有限公司