基于振动使材料接触起电的吸声织物及其制备方法与流程

本发明属于吸声材料领域，涉及一种吸声织物，具体地说是一种基于振动使材料接触起电的吸声织物及其制备方法。

背景技术：

1、纺织材料作为一种典型的多孔材料，已被广泛应用于吸声材料领域。多孔材料由于其内部具有大量相互连通并且通向材料表面的细孔，当声波传播到多孔材料表面时，声波的机械能转换为构件内空气或构件本身的动能，再由空气与空气间的粘滞作用以及空气间与材料间的摩擦作用进一步将动能转换为热能，最后通过热传递将热能耗散，实现多孔材料对声能的消耗。

2、目前吸声织物技术的原理主要集中在多孔吸声机理方面，这些技术制得的吸声织物往往存在透气性不足或吸声范围窄等缺陷。例如，公开号为cn109551834b的中国发明专利公开了一种阻燃吸声窗帘装饰布，是将亚麻基层、芳纶阻燃层、聚乙烯气泡塑料膜隔音层以及外层用线迹缝合在一起，能达到阻燃和隔音效果，但是该设计存在窗帘布过厚以及不透气的问题；公开号为cn113243739b的中国发明专利公开了一种防紫外线吸声窗帘及其制备方法，是通过二次静电纺丝制备胶原蛋白改性的腈纶纤维，并在改性腈纶纤维的缝隙内填充二氧化锆气凝胶和聚酰亚胺气凝胶膜，再将该纤维制备成窗帘面料，该面料有较好的防紫外线性能，但该制备流程较繁复，生产效率低，且吸声范围局限于高频范围。

3、除多孔吸声机理外，对声波的消耗或利用也可通过接触起电使声波转化成电能的方式，但基于该原理的现有技术主要目的为能量收集，而非吸声降噪，且相关技术制得的产品结构往往尺寸庞大、形态不轻薄，不能适用于吸声降噪场景。例如，公开号为cn105208497a的中国发明专利申请公开了一种基于摩擦发电的声电转换器件及其制作方法，公开号为cn112910303b的中国发明专利公开了一种基于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机，但均不适用于家纺饰品的应用场景。

4、综上所述，目前吸声织物多采用单一的多孔吸声原理，且吸声频率范围窄，主要集中在高频，制备过程复杂，生产出的纺织物存在布料厚重不透气的问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种多重耗能吸声织物，是基于声波的机械能转化为动能，使具有不同静电序列的纱线材料接触起电，实现电荷的转移，将声能转化为电能，同时基于织物自身的多孔结构，将声能转化为热能。本发明基于纱线振动使材料接触起电的多重耗能的吸声织物吸声效率高，制备工艺简单，制得的织物轻薄柔软，透气舒适，能够达到吸收不同频率的噪声的目的。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下，

3、一种基于振动使材料接触起电的吸声织物，包括由地组织纱线构成的地组织单元层、由固结纱线构成的固结单元层和由在声波作用下振动的振动纱线构成的振动单元层；

4、固结单元层用于将振动单元层连接于地组织单元层，使三者形成用于使材料接触分离起电的孔隙结构。

5、这种大小、形状不同的复杂孔隙结构，对声波具有孔隙粘滞吸声效果，孔隙结构包含由地组织单元层自身具有的孔隙结构、固结单元层与地组织单元层和振动单元层形成的较大尺寸的孔隙结构；

6、所述吸声织物只包含一块织物时，振动纱线和地组织纱线的静电序列不同，所述吸声织物至少包含两块织物时，振动纱线和地组织纱线或另一种振动纱线的静电序列不同。静电序列不同是指，一者易得电子，另一者易失电子，两者发生接触分离时两种材料间会产生电荷的转移；

7、该吸声织物的吸声性能由接触起电吸声效应和多孔吸声效应共同决定，具体由材料的静电序列差、振动单元纱线长度及分布、纱线线密度、织物密度和织物克重参数共同决定。

8、优选地，所述固结单元层包括多根间隔设置的固结纱线，固结纱线将振动单元层振动纱线固结于地组织单元层并将其分隔成不同长度，三者形成简支梁振动弦结构，地组织单元层和振动单元层之间的距离小于振动纱线的振幅，振动纱线在声波作用下振动并与地组织单元层接触分离起电，产生电荷转移；

9、所述简支梁振动弦结构，满足式中，fzj为简支梁振动弦结构的共振频率，lzjm为简支梁振动弦结构的共振长度，δzj为简支梁振动弦结构中纱线的线密度。

10、优选地，所述吸声织物至少包括两层结构，所述双层结构的获得方式包括将两层结构间隔一定距离悬挂形成双层结构，也包括将两层结构分别固定在具有一定厚度的间隔物两侧以形成双层结构，其中至少有一层结构为包含多根固结纱线间隔设置的固结单元层、多根振动纱线间隔设置的振动单元层的织物，所述振动纱线的一端被固结纱线固定于织物的地组织单元层，另一端为自由端，三者形成悬臂梁振动结构，振动纱线与另一层织物呈对插关系，两层织物的地组织单元层间距小于振动纱线长度，振动纱线的自由端振动并与另一层织物接触分离起电，产生电荷转移；

11、所述悬臂梁振动臂结构，满足式中，fzx为悬臂梁振动臂结构的共振频率，lzx为悬臂梁振动臂结构的共振长度，δzx为悬臂梁振动臂结构中纱线的线密度。

12、优选地，所述地组织纱线的线密度为4～250tex；

13、所述固结纱线的密度为50～1000根/10cm，线密度为5～250tex；

14、所述振动纱线的长度为1～200mm，线密度为3～250tex。

15、优选地，所述吸声织物的克重为50～1000g/m2；

16、所述地组织单元层的经纱密度为280～1700根/10cm，纬纱密度为150～1200根/10cm；

17、所述地组织单元层针织物的横密为3～85列/英寸，纵密为8～105行/英寸。

18、优选地，制成地组织纱线和振动纱线的原料为从导电纤维或电介质纤维中选取的两种及以上材料；所述导电纤维或电介质纤维为单一成分纤维、采用表面加工方式获得的具有导电性能的纤维以及皮层包含电介质纤维或导电纤维的皮芯复合纤维中的至少一种。

19、优选地，所述电介质纤维包括聚甲醛纤维、聚酰胺纤维、蜜胺纤维、羊毛纤维、蚕丝纤维、棉纤维、麻纤维、再生纤维素纤维、再生蛋白质纤维、聚乙烯醇、聚酰亚胺纤维、聚四氟乙烯纤维、聚氯乙烯纤维、氯化聚氯乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚偏二氯乙烯纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、腈氯纶纤维和聚丙烯腈纤维中的至少一种。

20、优选地，所述导电纤维包括金属导电纤维、金属镀层纤维、导电金属化合物导电纤维、金属络合纤维、碳系导电纤维和导电聚合物纤维中的至少一种。

21、优选地，所述吸声织物还包括空气层，空气层的厚度为0～500mm。

22、本发明还提供了一种基于振动使材料接触起电的吸声织物的制备方法，所述吸声织物是由机织、针织、非织、编织或缝制的方式一体成型或者分步加工制得的单层织物、间隔织物、双层织物和多层织物中的至少一种。

23、其中，一体成型是一步制得同时包含地组织单元层、振动单元层和固结单元层的基于振动使材料接触起电的吸声织物；

24、分步加工是先制备地组织单元层、振动单元层和固结单元层中的一种或两种的结构后，组合形成基于振动使材料接触起电的吸声织物。

25、本发明的原理为：

26、本发明的织物由不同纱线组成的地组织单元层、振动单元层和固结单元层构成，三个结构单元形成了两种和声波作用的结构，能够实现多重耗能吸声：一是由于三个结构单元的存在，织物自身具有的多孔结构增加了织物孔隙结构的曲折度，提高了多孔结构的吸声性能；二是由地组织单元层与振动单元层构成的振动结构，分为两端被固结单元固定的简支梁振动弦结构和只有一端被固结单元固定的悬臂梁振动臂结构，在声波作用下发生振动，并和由具有不同静电序列纱线构成的地组织单元层发生接触和分离，实现电荷的转移，将声能转化为电能，增加了声能的消耗途径。

27、(一)三种单元层结构及要求

28、本发明的吸声织物由不同纱线构成的地组织单元层、振动单元层和固结单元层构成，三种单元层的结构要求如下：

29、1)地组织单元层

30、地组织单元层作为基底，一方面为固结单元层和振动单元层提供支撑，另一方面其本身作为多孔材料也可以为结构整体增加吸声性能，在地组织单元层和振动单元层发生周期性接触分离时，两者的静电序列差别越大越容易发生电荷转移，从而消耗更多的声能。

31、2)振动单元层

32、振动单元层的作用是在声波外力作用下发生振动，并与地组织单元层发生相对运动，与地组织单元层发生接触分离，振动单元层某一纱线材料的存在状态分为两种：一种是纱线材料两端都被固定，另一种是纱线材料一端被固定，另一端自由，前者的振动类似于简支梁结构，后者类似于悬臂梁结构。当振动单元层发生共振时，其运动幅度越大，接触分离效应也越剧烈，对声能的消耗也越大，因此可以通过对振动单元层共振频率及分布的设计，拓宽织物的吸声频带。

33、2.1)基于简支梁振动弦结构的振动单元层

34、两端固定的纱线可以看做简支梁振动弦结构。假设织物上有一根总长度为lzj、线密度为δzj、具有一定弹性且两端固定并被张紧的纱线，该纱线可以被视为弦，其中，由于组织结构设计，该纱线上有多个固结点并被分为长度分别为lzj1、lzj2、lzj2......lzjm的振动单元层，受声波激励后，振动单元层在张力tzj作用下进行发生弦振动，振动方向与纱线长度方向垂直，其固有频率方程为

35、

36、式中，fzjn为简支梁振动弦结构的第n阶共振频率；lzjm为简支梁振动弦结构的共振长度；tzj为纱线两端的张力；δzj为纱线的线密度。

37、当n＝1时，简支梁发生第1阶共振，相比于第2、3、4......阶共振，该共振具有以下两个特点：

38、第一，所对应的共振幅度最大，意味着织物中振动单元纱线可以与其他材料有更大的摩擦面积；

39、第二，所对应的共振频率最小，意味着振动单元纱线能发生共振的最低频率。

40、在噪声控制中，低频噪声往往更难解决，第1阶共振时的大振幅、低频率是最优选择，因此选定n＝1。

41、此外，在织造过程中，纱线张力得到控制，下机后织物中的振动纱线的张力基本保持在一个值，因此可将tzj视为一个常数。

42、综上，可以得出振动单元长度和线密度与其共振频率的关系为

43、2.2)基于悬臂梁振动臂结构的振动单元层

44、一端是固定支座，另一端为自由端的梁为悬臂梁，在织物中，一端固定在底布上，另一端自由且具有抗剪和抗弯性的纱线可视为悬臂梁振动臂结构，设悬臂梁振动臂结构长度为lzx、线密度为δzx，则其固有频率方程为

45、

46、式中，fzxn为悬臂梁振动臂结构的第n阶共振频率；an为n阶振型系数，a1＝3.516015，a2＝22.034490……；lzx为悬臂梁振动臂结构的长度；rzx为悬臂梁的弯曲刚度；δzx为悬臂梁振动臂结构中纱线的线密度。

47、与2.2)小节中，简支梁结构共振取n＝1的原因相同，在悬臂梁振动臂结构的共振中，也取n＝1。

48、在织物中，rzx是与振动纱线材质和线密度相关的参数，其并不是一个可以随意选择的参数。对于常规纱线，rzx可通过查阅获得，从而可将其视为一个常数，对于非常规纱线，可在选定振动纱线材料和线密度后测试得到该数值。因此，在选定与振动纱线共振频率相关的参数时，将rzx视为一个被动得到的数值，而不将其视为变量，由此得

49、3)固结单元层

50、在简支梁振动弦结构中，固结单元层的作用在于将振动单元层固定在地组织单元层上；在悬臂梁振动臂结构中，固结单元层将振动单元层的一端固定在地组织单元层上。

51、(二)两种吸声耗能机制

52、本发明是在多孔材料声能转化成热能的基础上，结合基于纱线振动使不同电序列材料接触分离产生电荷转移的吸声原理，通过纺织加工技术，制得基于振动使材料接触起电的吸声织物及其制备方法。

53、1)接触起电吸声机制

54、1.1)振动的前提条件

55、振动的前提条件是需要外力激励，声波作为一种机械外力可以激励物质发生振动，声波在流体媒质中传播时是一种纵波，即声波在空气中传播时，质点振动方向与声传播方向一致，所以当声波传播到样品表面时，会对该样品产生压力作用。

56、1.2)接触分离结构

57、包含地组织单元层、振动单元层和固结单元层三个部分。为保证材料间发生接触分离和电荷转移，接触分离结构需满足以下几点：

58、(1)振动单元层在声波作用下发生振动；

59、(2)振动单元层和预期发生接触分离的材料之间的距离小于纱线振动的振幅；

60、(3)振动单元层的材料与地组织单元层的材料电序列应不同，且这种差异越大越好。

61、1.3)接触起电吸声原理及其影响因素

62、接触起电效应是一种由接触引发的带电效应，即在一种材料与另一种材料发生接触分离的过程中，两种材料会带上相反的电荷，材料所带电荷的符号取决于接触材料之间的相对极性。因此，在声波振动下发生接触分离的两种材料，如果采用不同的静电序列材料，将产生电荷，由此，声波的机械能被转换为电能，产生能量的损耗。

63、进一步的，织物是由成千上万根纱线构成，通过不同的组织结构可以实现纱线间的宏观稳定结构和可振动结构。织物中单个不同电序列纱线构成一个微纳摩擦发电机，成千上万的微纳发电系统，将在宏观上实现声波的损耗，实现吸声。

64、织物中接触起电的吸声性能由振动单元层与地组织单元层之间接触面积以及两者材料之间的静电序列差别决定，其中地组织纱线的线密度、地组织纱线的密度、地组织单元层的克重、振动纱线的线密度和振动纱线的密度共同决定两者接触的面积，地组织纱线的线密度越低、地组织纱线的密度越高、地组织单元层的克重越大、振动纱线的线密度越大和振动纱线的密度越大，则接触面积越大。地组织纱线的静电序列和振动纱线的静电序列决定了两者静电序列的差别。接触面积越大、静电序列差异越明显，振动纱线和地组织纱线之间电荷转移量越多，即消耗的声能越多。

65、2)多孔结构吸声原理

66、多孔材料的特征在于其内部具有大量相互连通并且通向材料表面的细孔，当声波传播到多孔材料表面时，声波穿透多孔材料并在材料内进行传播，声波的机械能转换为构件内空气或构件本身的动能，再由空气与空气间的粘滞作用或以及空气间与材料间的摩擦作用进一步将动能转换为热能，最后通过热传递将热能耗散，实现多孔材料对声能的消耗。相应地，多孔吸声织物也应由相当数量的孔隙组成，且这些孔隙的几何形状、孔径大小以及连接孔隙的开口形状等孔隙特征都会影响材料的吸声性能。与结构均匀的多孔材料相比，具有不同孔隙结构的材料有利于提高材料的曲折度，增加声波在材料内的传播路径，从而增加对声能的消耗。本发明中包含由地组织单元层织物自身具有的孔隙结构、固结单元层与地组织单元层和振动单元层形成的较大尺寸的孔隙结构，以及振动单元层和地组织单元层之间形成的长度为弦长的细长孔隙结构，三者有机结合形成了复杂孔隙结构。

67、织物的孔隙结构由固结纱线的密度、固结纱线的线密度、振动纱线的线密度、地组织纱线的线密度、地组织纱线的密度以及地组织单元层的克重共同决定，且其存在最优参数。若地组织为非织造材料，则其孔隙结构还与纱线排列有关。

68、由于采用了上述的技术方案，本发明的基于纱线振动使材料接触起电的多重耗能吸声织物与现有技术相比，所取得的有益效果是：

69、(1)本发明采用的接触起电原理，是一种新型的吸声机制，通过织物结构的设计，实现了多重耗能途径，在多孔吸声原理的基础上，通过声电转换机制，使织物拥有了额外的消耗声能的途径，提高了织物的吸声效果；

70、(2)本发明通过织物参数的设计，使共振弦有不同的长度分布以及不同的共振频率，达到了有选择地针对特定频率的噪声降噪的效果，尤其是低频处的噪声；

71、(3)本发明采用的制备工艺简单，成本低，易于实现批量化生产；

72、(4)本发明制得的吸声织物保留了织物的轻薄柔软、透气舒适、机械性能良好等特点，适合作为窗帘等家纺织物；

73、(5)在应用场景中，在织物背后设置空气层，可以有效提高整体的吸声效果；

74、(6)本发明设计的织物具备作为摩擦发电机的潜力，能够进一步改进以发挥其在能源、自驱动传感器领域的应用。