本發(fā)明涉及高聚物功能材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料及制備方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，噪聲污染成為了現(xiàn)代化生活中的一個(gè)重大的污染源，在降低人們工作效率的同時(shí)，對(duì)人們的身心健康也有很多不好的影響，導(dǎo)致各種心血管疾病，與空氣污染、水質(zhì)污染和固體廢料污染并列稱為當(dāng)代四大污染源。目前，人們主要通過兩個(gè)途徑進(jìn)行噪音控制：一是從噪聲源入手，減少噪聲的發(fā)生；二是從噪聲的傳播途徑上入手，使噪聲在傳播過程中減弱。在第二條途徑中，吸聲防噪材料的開發(fā)和應(yīng)用是主要的研究內(nèi)容。

近年來，人們?cè)诜强椩煳暡牧戏矫娴难芯恐饕性诜强椩鞆?fù)合材料方面，并通過改變材料、成網(wǎng)方法和固網(wǎng)方法等來探究影響非織造材料吸聲性能的因素。非織造吸聲材料纖網(wǎng)內(nèi)纖維隨機(jī)雜亂排列，使其纖網(wǎng)內(nèi)部具有很多孔隙，具有良好的吸聲性能。非織造材料由于其具有豐富的孔隙、原料來源廣、價(jià)格低廉、易于制作生產(chǎn)而成為具有很好前景的多孔吸聲材料。

高頻聲波可使非織造材料內(nèi)空隙間空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度加快，空氣與孔壁的熱交換也加快，因此現(xiàn)有多孔非織造吸聲材料已經(jīng)能成功吸收大部分高頻處的吸聲性能。而現(xiàn)有吸聲材料在低頻處的吸聲性能并不佳。因此，開發(fā)寬頻吸聲帶或改善中低頻吸聲性能的吸聲材料是今后發(fā)展的趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料及制備方法。

本發(fā)明提供了一種基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)對(duì)聚乙烯醇納米纖維進(jìn)行抗水溶性處理，處理時(shí)間為10-120min，得到抗水溶聚乙烯醇納米纖維；

(2)將抗水溶聚乙烯醇納米纖維浸入含第一催化劑的水溶液中處理1-10h，取出處理后的納米纖維，干燥后將經(jīng)催化劑處理的納米纖維轉(zhuǎn)移至含有吡咯的密閉環(huán)境中，通過氣相沉淀法使吡咯在納米纖維表面發(fā)生聚合反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為0.5-10h，得到基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料。

進(jìn)一步地，在步驟(1)中，抗水溶性處理包括以下步驟：

將戊二醛、第二催化劑、水和有機(jī)溶劑混勻，然后將聚乙烯醇納米纖維在其中浸泡10-120min。

進(jìn)一步地，第二催化劑為鹽酸、硫酸和硝酸中的一種或幾種。

進(jìn)一步地，有機(jī)溶劑為丙酮、乙腈和乙醚中的一種或幾種。

進(jìn)一步地，在步驟(1)中，通過靜電紡絲方法得到聚乙烯醇納米纖維。采用螺旋片式靜電紡絲機(jī)進(jìn)行靜電紡絲。

步驟(1)中，纖維經(jīng)抗水溶性處理后，其直徑會(huì)發(fā)生改變，纖維直徑的改變會(huì)改變纖維的振動(dòng)方式和振動(dòng)頻率，纖維振動(dòng)和聲波振動(dòng)之間的弛豫作用發(fā)生改變，從而導(dǎo)致材料吸聲性能的改變。當(dāng)纖維直徑增大時(shí)，纖維的振動(dòng)頻率降低，從而使復(fù)合材料的吸聲性能向中低頻處移動(dòng)。隨著處理時(shí)間的增加，pva纖維氈內(nèi)纖維直徑因溶脹作用而逐漸增大，孔徑相對(duì)變小。這使得復(fù)合材料的吸聲性能發(fā)生了變化，尤其是在中低頻處，大體在聲波頻率為500hz-2500hz處有所提高。并且當(dāng)處理時(shí)間為1h時(shí)，復(fù)合材料的吸聲性能提高的聲波頻率的范圍最大。但當(dāng)處理時(shí)間超過1h達(dá)到2h時(shí)，吸聲系數(shù)下降，在聲波頻率為1250hz-2500hz的范圍內(nèi)更加明顯。將吸聲系數(shù)提高的頻率范圍和吸聲系數(shù)的大小綜合考慮，可得最優(yōu)的平均孔徑和纖維直徑分別為0.44μm和0.45μm，最佳處理時(shí)間為1h。

進(jìn)一步地，在步驟(2)中，第一催化劑為氯化鐵(fecl3)、雙氧水(h2o2)、過硫酸銨((nh4)2s2o8)和碘化鉀(kio3)中的一種或幾種。第一催化劑的作用是化學(xué)氧化。

進(jìn)一步地，在步驟(2)中，水溶液中第一催化劑的質(zhì)量百分比為5wt.％-20wt.％。隨著催化劑濃度的增加，纖維氈表面形成更多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，在步驟(2)中，氣相沉淀法在避光的密閉條件下進(jìn)行。采用氣相沉淀法對(duì)pva纖維氈進(jìn)行聚吡咯處理時(shí)，聚吡咯形成不規(guī)則結(jié)構(gòu)，通過改變催化劑的量，可以改變纖維表面聚吡咯的量，從而改變材料的吸聲性能。

本發(fā)明還公開了一種采用上述方法所制備的基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料。

借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明通過靜電紡方法制備納米纖維非織造吸聲材料，拓寬了材料的吸聲頻帶；

(2)對(duì)纖維進(jìn)行抗水溶性處理，該方法操作簡單，且不會(huì)對(duì)纖維形態(tài)造成破壞；

(3)利用聚吡咯對(duì)纖維表面進(jìn)行改性，使得纖維的吸聲性能在中低頻處有所提高；

(4)本發(fā)明的基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可用于建筑墻體、運(yùn)輸車輛、輪船等內(nèi)飾吸聲材料，給人們營造安靜舒適的環(huán)境。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1是抗水溶性處理不同時(shí)間后pva纖維氈的sem圖；

圖2是抗水溶性處理時(shí)間對(duì)纖維直徑、材料平均孔徑和平均吸聲系數(shù)的影響結(jié)果；

圖3是不同濃度fecl3溶液處理的纖維氈表面的sem圖譜；

圖4是不同濃度fecl3溶液對(duì)復(fù)合材料吸聲性能的影響結(jié)果；

圖5是不同濃度fecl3溶液對(duì)復(fù)合材料吸聲性能的影響結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明以下實(shí)施例中，所使用的pva纖維氈是采用螺旋片式靜電紡絲機(jī)對(duì)pva進(jìn)行靜電紡絲得到，其中，螺旋片式靜電紡絲機(jī)由螺旋片式發(fā)生器，移動(dòng)接收屏和高壓電源組成。螺旋片發(fā)生器勻速旋轉(zhuǎn)，提供離心力，源源不斷地為靜電紡絲過程提供紡絲液。與傳統(tǒng)針頭式靜電紡絲相比，在螺旋片式靜電紡絲過程中，泰勒錐在螺旋葉片上形成，而不是在針頭上形成。移動(dòng)接收屏上放有基布，在高壓電源形成的電場(chǎng)的作用下，隨機(jī)纖維射流噴射到基布上，射流溶劑揮發(fā)，形成纖網(wǎng)。

實(shí)施例1

將戊二醛(50％水溶液)與丙酮以質(zhì)量比1:9混合在玻璃容器中，滴入0.5ml鹽酸(hcl)作為催化劑。將pva纖維氈放置到混合溶液中，分別放置0min，10min，30min，1h，2h，再在通風(fēng)櫥中風(fēng)干至恒重，得到抗水溶pva纖維氈。當(dāng)抗水溶性處理的時(shí)間超過10min時(shí)，纖維氈的重量保留率在99％以上，因此當(dāng)抗水溶性處理時(shí)間超過10min時(shí)，纖維氈具有較好的抗水溶性能，可用來做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究。在抗水溶性處理過程中，戊二醛的作用為交聯(lián)劑，使pva大分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)，從而使其不溶于水，具有抗水溶性能。

圖1是處理不同時(shí)間后，pva纖維氈的sem圖，圖1a、b、c、d、e分別對(duì)應(yīng)處理0min，10min，30min，1h，2h的結(jié)果，從圖中可以看出，經(jīng)過戊二醛抗水溶性處理后，纖維形貌并沒有發(fā)生太大的改變。這說明戊二醛浸漬法對(duì)pva纖維氈進(jìn)行抗水溶性處理不會(huì)對(duì)纖維形態(tài)造成破壞。

圖2是隨著抗水溶性處理時(shí)間的變化，纖維直徑、材料平均孔徑和平均吸聲系數(shù)(500hz-3000hz)結(jié)果。從圖中可以看出，隨著抗水溶性處理時(shí)間增加，pva纖維氈中的纖維直徑逐漸增大而纖維氈的平均孔徑逐漸減小。當(dāng)抗水溶性處理時(shí)間從0min增加到2h時(shí)，纖維直徑從0.25μm增加到0.59μm，纖維氈平均孔徑從0.54μm減小到0.39μm。當(dāng)處理時(shí)間為1h時(shí)，纖維直徑和孔徑數(shù)值幾乎相等。這種變化可能是由于纖維在抗水溶性處理的浸漬過程中發(fā)生溶脹現(xiàn)象造成的。

實(shí)施例2

將fecl3粉末溶于蒸餾水中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0wt.％,5wt.％,8wt.％,11wt.％,14wt.％,17wt.％,20wt.％的fecl3溶液。按照實(shí)施例4的方法制得多塊抗水溶性處理30min后的抗水溶pva纖維氈，分別放置在不同濃度的fecl3溶液中，放置4h。拿出處理后的抗水溶pva纖維氈，自然風(fēng)干，放入密閉容器中。在密閉容器中滴入適量的吡咯單體溶液，蓋上蓋子，放置在避光的地方，放置時(shí)間為2h。密閉容器中的吡咯單體溶液揮發(fā)，在抗水溶pva纖維氈表面發(fā)生聚合反應(yīng)，形成不規(guī)則的聚吡咯結(jié)構(gòu)，得到基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料。在這個(gè)過程中，抗水溶pva纖維氈內(nèi)的fecl3作為催化劑，催化吡咯的聚合反應(yīng)。

分別將處理后的基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料取樣(樣品為圓形，直徑為3mm，厚度為2mm)稱重，每種樣品取十個(gè)，重量取平均值。結(jié)果見表1，從表1可看出，fecl3濃度增加時(shí)，處理后樣品的質(zhì)量增大，當(dāng)fecl3濃度達(dá)到20wt.％時(shí)，纖維氈中聚吡咯的聚合量可以達(dá)到1.38g。說明fecl3濃度增加，經(jīng)相同時(shí)間的氣相沉淀法處理，纖維氈表面會(huì)聚集更多的聚吡咯。

表1不同濃度的fecl3處理后的樣品平均重量

圖3為經(jīng)過不同濃度fecl3溶液處理的纖維氈表面的sem圖譜。圖3a、b、c、d、e、f分別對(duì)應(yīng)fecl3溶液濃度為5wt.％,8wt.％,11wt.％,14wt.％,17wt.％,20wt.％時(shí)的結(jié)果，從圖3可看出，隨著fecl3濃度的增加，纖維氈表面有更多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。當(dāng)fecl3濃度為5wt.％時(shí)，如圖3a，纖維氈表面沒有明顯的聚吡咯聚集現(xiàn)象；但隨著fecl3濃度增加，纖維表面的聚集增加。這是由于當(dāng)纖維氈浸漬在不同濃度的fecl3溶液中時(shí)，pva纖維氈中所含fecl3的量不同，fecl3濃度越高，纖維氈充所含fecl3的量越多，因此，吡咯在纖維氈表面的聚集速度越快，相同時(shí)間內(nèi)聚集的量越多，導(dǎo)致了更加不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

選取以上制備的厚度均為2mm的基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料與滌綸針刺非織造材料進(jìn)行復(fù)合，滌綸針刺非織造材料的厚度為8mm，得到復(fù)合材料。對(duì)復(fù)合材料的吸聲性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4-5所示，圖中，a、b、c、d、e、f、g曲線分別代表fecl3溶液濃度為5wt.％,8wt.％,11wt.％,14wt.％,17wt.％,20wt.％時(shí)的結(jié)果，當(dāng)fecl3濃度為5wt.％,8wt.％和11wt.％時(shí)(如圖4)，吸聲系數(shù)在聲波頻率大于2250hz處有所提高，在中低頻處的吸聲性能卻沒有改善，甚至在聲波頻率為1600hz-2250hz時(shí)還有所降低。當(dāng)fecl3濃度升高到14wt.％時(shí)(如圖5)，吸聲曲線朝低頻處移動(dòng)，且隨著fecl3濃度的提高，在聲波頻率為500hz-1250hz時(shí)復(fù)合材料的吸聲性能越好。當(dāng)fecl3濃度為20wt.％時(shí)，吸聲系數(shù)的曲線分別在2000hz和800hz處達(dá)到了峰值，分別為0.89和0.92。這是主要由于當(dāng)處理過程中fecl3的濃度升高時(shí)，pva纖維氈中聚吡咯的聚合量增多(表1)。當(dāng)聚吡咯的量增加時(shí)，由圖3可知，纖維表面有更多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，使材料內(nèi)的比表面積增加，聲波與材料間的摩擦機(jī)會(huì)增多，導(dǎo)致通過粘滯性內(nèi)摩擦消耗的聲能增多，從而吸聲系數(shù)更高。此外，聚吡咯聚合量的增加也導(dǎo)致了纖維變粗，纖維氈孔徑變小，這對(duì)復(fù)合材料在中低頻處的吸聲性能的提高也有一定的積極作用。

實(shí)施例3

將戊二醛(50％水溶液)與乙腈以質(zhì)量比1:9混合在玻璃容器中，滴入0.5ml硫酸作為催化劑。將pva纖維氈放置到混合溶液中，放置30min，再在通風(fēng)櫥中風(fēng)干至恒重，得到抗水溶pva纖維氈。

將雙氧水(h2o2)與蒸餾水混合，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt.％的h2o2溶液。將上述抗水溶pva纖維氈放入h2o2溶液中放置10h。拿出處理后的抗水溶pva纖維氈，自然風(fēng)干，放入密閉容器中。在密閉容器中滴入適量的吡咯單體溶液，蓋上蓋子，放置在避光的地方，放置時(shí)間為10h。密閉容器中的吡咯單體溶液揮發(fā)，在抗水溶pva纖維氈表面發(fā)生聚合反應(yīng)，形成不規(guī)則的聚吡咯結(jié)構(gòu)，得到基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料。

實(shí)施例4

將戊二醛(50％水溶液)與乙醚以質(zhì)量比1:9混合在玻璃容器中，滴入0.5ml硝酸作為催化劑。將pva纖維氈放置到混合溶液中，放置100min，再在通風(fēng)櫥中風(fēng)干至恒重，得到抗水溶pva纖維氈。

將過硫酸銨((nh4)2s2o8)溶于蒸餾水，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20wt.％的(nh4)2s2o8溶液。將上述抗水溶pva纖維氈放入(nh4)2s2o8溶液中放置1h。拿出處理后的抗水溶pva纖維氈，自然風(fēng)干，放入密閉容器中。在密閉容器中滴入適量的吡咯單體溶液，蓋上蓋子，放置在避光的地方，放置時(shí)間為0.5h。密閉容器中的吡咯單體溶液揮發(fā)，在抗水溶pva纖維氈表面發(fā)生聚合反應(yīng)，形成不規(guī)則的聚吡咯結(jié)構(gòu)，得到基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料。

實(shí)施例5

將戊二醛(50％水溶液)與丙酮以質(zhì)量比1:9混合在玻璃容器中，滴入0.5ml鹽酸作為催化劑。將pva纖維氈放置到混合溶液中，放置1h，再在通風(fēng)櫥中風(fēng)干至恒重，得到抗水溶pva纖維氈。

將碘化鉀(kio3)溶于蒸餾水，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10wt.％的kio3溶液。將上述抗水溶pva纖維氈放入kio3溶液中放置6h。拿出處理后的抗水溶pva纖維氈，自然風(fēng)干，放入密閉容器中。在密閉容器中滴入適量的吡咯單體溶液，蓋上蓋子，放置在避光的地方，放置時(shí)間為5h。密閉容器中的吡咯單體溶液揮發(fā)，在抗水溶pva纖維氈表面發(fā)生聚合反應(yīng)，形成不規(guī)則的聚吡咯結(jié)構(gòu)，得到基于聚乙烯醇納米纖維的非織造吸聲材料。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。