本發明屬于功能材料技術領域，具體涉及一種雜化結構可全生物降解復合隔音材料及其制備方法。
背景技術：
噪音污染已成為當代全球性的環境問題，與大氣污染，水污染和固體廢棄物污染一起被列為世界四大污染。隨著經濟的發展，人民生活水平和生活質量的不斷提升，人們對吸音隔音材料的需求越來越大，對其性能的要求也越來越高，特別是在建筑以及汽車領域，吸音隔音材料的市場不斷發展壯大。隔音吸音材料在汽車領域的主要作用是隔音、減振、保暖，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。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，且常用膨脹珍珠巖、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境有較大污染，限制了相關隔音產品的推廣使用，且對1000Hz以下的噪音吸收，隔離效果差。
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(或者熔體冷卻)，得到納米纖維。利用靜電紡絲得到的纖維通常為微米/納米級。但目前鮮有利用靜電紡絲制備隔音材料的報道。
技術實現要素：
本發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，提供一種雜化結構可全生物降解復合隔音材料。
本發明的另一目的在于提供上述雜化結構可全生物降解復合隔音材料的制備方法。
本發明目的通過以下技術方案實現：
一種雜化結構可全生物降解復合隔音材料，所述復合隔音材料由具有微米結構可生物降解或光降解纖維和納米纖維所構成的復合纖維層與熔噴纖維層進行復合得到。
所述復合纖維層可以是可生物降解或光降解纖維網層與納米纖維層復合得到，所述可生物降解或光降解纖維網層的克重為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可生物降解或光降解纖維單纖維鋪疊成網層得到，鋪疊成網層的克重為10.2～70g/m2，其中納米纖維的復合量為0.2～20g/m2。
優選地，所述復合隔音材料的克重為100～500g/m2。
優選地，所述可生物降解纖維包括聚酯纖維、生物基聚酰胺纖維、聚乳酸及其共聚物纖維、聚己內酯及其共聚物纖維、聚羥基脂肪酸酯系聚合物纖維、聚酯-聚醚共聚物纖維、聚酯-酰胺共聚物纖維中的至少一種；所述可光降解纖維包括聚丙烯纖維。
優選地，所述具有微米結構可生物降解或光降解纖維的纖維直徑為0.5-30μm，截面為圓形或者非圓形，含有或者不含有空腔結構。
優選地，所述納米纖維是指纖維直徑為50～1600nm的聚乳酸及其共聚物纖維、聚己內酯及其共聚物纖維、聚羥基脂肪酸酯系聚合物纖維、聚酯-聚醚共聚物纖維、聚酯-酰胺共聚物纖維中的至少一種。
優選地，所述的熔噴纖維層是指聚己內酯或PLA熔噴纖維層，熔噴纖維層的纖維直徑為0.5-2μm，克重為10g/m2，厚度為0.2-1mm。
上述雜化結構可全生物降解復合隔音材料的制備方法，包括如下制備步驟：
(1)將具有微米結構可生物降解或光降解纖維經過充分開梳，形成單纖維狀態后鋪疊成可生物降解或光降解纖維網層，以所得纖維網層為接收端，采用靜電紡絲工藝在可生物降解或光降解纖維網層上制備納米纖維層，得到復合纖維層；或將可生物降解或光降解纖維經過充分開梳，形成單纖維狀態后，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可生物降解或光降解纖維單纖維上，再將其鋪疊成網，得到復合纖維層；
(2)將多層復合纖維層進行復合后，再與熔噴纖維層進行復合，得到所述雜化結構可全生物降解復合隔音材料。
優選的，所述靜電紡絲包括針頭法靜電紡絲、線電極法靜電紡絲、螺旋電極法靜電紡絲、梭電極法靜電紡絲、離心靜電紡絲、熔噴靜電紡絲。
優選的，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％。
優選的，所述外界擾動風分散的擾動風溫度為20～80℃，相對濕度為25％～98％。
本發明的制備方法及所得到的產物具有如下優點及有益效果：
(1)本發明所得復合隔音材料具有優良的吸音隔音性能，其對500Hz聲源的吸收系數達到0.3以上，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.5以上。
(2)本發明采用靜電紡絲得到納米纖維層，纖維直徑為50-1600nm，具有纖維直徑小、孔隙率高以及比表面積大等特點，適于吸音隔音材料的應用。
(3)本發明均采用可生物降解或光降解的聚合物制得，使得該高性能吸音隔音材料具有可全生物降解的特點，符合綠色環保的要求。
(4)本發明所得復合隔音材料孔隙率高且具有三維立體蓬松結構，可以使聲波在材料中傳播時引起更大粘性流動損失，同時通過層疊的方法將各種聲學材料結合起來能夠實現聲音在不同頻率下衰減的最大化。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
實施例1
在本實施例中，具有微米結構的可生物降解纖維為聚酯纖維。聚酯纖維經過開梳處理形成單纖維狀態，然后將其鋪疊堆積成具有單軸取向的網層，面密度為30g/m2，厚度為3mm。該聚酯纖維截面為圓形，具有一個空腔結構，纖維直徑為12μm。
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＝3×105g/mol)真空干燥后(60℃，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溶液進行針頭法靜電紡絲成型，接收端為聚酯纖維網層，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聚酯復合纖維結構層。納米纖維直徑為300-1000nm，納米纖維層克重為12.0g/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320g/m2的復合纖維網層。最后將復合纖維網層與熔噴纖維層進行復合，形成雜化結構復合隔音材料。由上述方法制得的雜化結構復合隔音材料對500Hz聲源的吸收系數達到0.38，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.59，吸音性能較好。
實施例2
在本實施例中，具有微米結構的可生物降解纖維為生物基聚酰胺纖維。生物基聚酰胺纖維經過開梳處理形成單纖維狀態，然后將其鋪疊堆積成具有單軸取向的網層，面密度為30g/m2，厚度為3mm。該生物基聚酰胺纖維截面為非圓形，具有兩個空腔結構，纖維直徑為10μm。
納米纖維層可采用梭電極法靜電紡絲成型制得，以聚己內酯作為納米纖維成纖原料。聚己內酯(PCL，Mw＝8×104g/mol)真空干燥后(60℃，12h)，采用氯仿：DMF(4:1)為混合溶劑，配置成15％的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡2h。將配好的PCL溶液進行梭電極法靜電紡絲成型，接收端為生物基聚酰胺纖維網層，紡絲電壓為55kV，接收距離約為12cm，轉子轉速為15r/min，得到覆有納米纖維層的生物基聚酰胺纖維復合纖維結構層。納米纖維直徑為300-1000nm，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310g/m2的復合隔音氈層。最后將復合纖維網層與熔噴纖維層進行復合，形成雜化結構復合隔音材料。由上述方法制得的雜化結構復合隔音材料對500Hz聲源的吸收系數達到0.33，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.51，吸音性能較好。
實施例3
在本實施例中，具有微米結構的可生物降解纖維為聚己內酯纖維。聚己內酯纖維經過開梳處理形成單纖維狀態，然后將其鋪疊堆積成具有單軸取向的網層，面密度為30g/m2，厚度為3mm。該聚己內酯纖維的截面為非圓形，無空腔結構，纖維直徑為15μm。
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＝3×105g/mol)真空干燥后(60℃，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PC溶液進行離心靜電紡絲成型，接收端為聚己內酯網層，紡絲電壓為10kV，接收距離約為10cm，轉速為1000r/min，得到覆有納米纖維層的聚己內酯復合纖維結構層，其中納米纖維具有表面褶皺結構。納米纖維直徑為500-1000nm，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。最后將復合纖維網層與熔噴纖維層進行復合，形成雜化結構復合隔音材料。由上述方法制得的雜化結構復合隔音材料對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。
實施例4
在本實施例中，具有微米結構的可生物降解纖維為聚3-羥基丁酸酯纖維。聚3-羥基丁酸酯纖維經過開梳處理形成單纖維狀態，然后將其鋪疊堆積成具有單軸取向的網層，面密度為30g/m2，厚度為3mm。該聚碳酸酯纖維的截面為非圓形，有三個空腔結構，纖維直徑為6μm。
納米纖維層可采用線電極靜電紡絲成型制得，以聚乳酸作為納米纖維成纖原料。聚乳酸(PLA，Mw＝3×105g/mol)真空干燥后(60℃，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溶液進行電極法靜電紡絲成型，接收端為接收端為聚3-羥基丁酸酯纖維網層，紡絲電壓為60kV，接收距離約為15cm，電機轉速為12r/min，得到覆有納米纖維層的聚3-羥基丁酸酯復合纖維結構層。納米纖維直徑為300-1000nm，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。最后將復合纖維網層與熔噴纖維層進行復合，形成雜化結構復合隔音材料。由上述方法制得的雜化結構復合隔音材料對500Hz聲源的吸收系數達到0.34，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.55，吸音性能較好。
實施例5
在本實施例中，具有微米結構的可生物降解纖維為聚羥基脂肪酸酯纖維。聚羥基脂肪酸酯纖維經過開梳處理形成單纖維狀態。該聚羥基脂肪酸酯纖維的截面為圓形，無空腔結構，纖維直徑為20μm。
納米纖維層可采用針頭靜電紡絲成型制得，以PET-PEG共聚物作為納米纖維成纖原料。PET-PEG(特性黏數0.5-1.0)共聚物真空干燥后(60℃，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PET-PEG共聚物溶液進行針頭法靜電紡絲成型，接收端為聚羥基脂肪酸酯單纖維，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℃，相對濕度為50％，得到覆有直徑為500-1000nm納米纖維的聚羥基脂肪酸酯單纖維，其中納米纖維具有球狀結構。干燥后，將覆有直徑為500-1000nm納米纖維的聚羥基脂肪酸酯單纖維鋪疊成網，得到復合纖維層，所得復合纖維層相比未覆有納米纖維時單位克重增加10.5g/m2。將覆有納米纖維的聚羥基脂肪酸酯纖維網層多層復合，得到克重為320g/m2的復合纖維網層。最后將復合纖維網層與熔噴纖維層進行復合，形成雜化結構復合隔音材料。由上述方法制得的雜化結構復合隔音材料對500Hz聲源的吸收系數達到0.31，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.54，吸音性能較好。
實施例6
在本實施例中，具有微米結構的可生物降解纖維為聚酯酰胺纖維。聚酯酰胺纖維經過開梳處理形成單纖維狀態，然后將其鋪疊堆積成具有單軸取向的網層，面密度為30g/m2，厚度為3mm。該聚酯酰胺纖維的截面為圓形，有一個空腔結構，纖維直徑為10μm。
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＝3×105g/mol)和聚己內酯(PCL，Mw＝8×104g/mol)質量比為(4:1)，真空干燥后(60℃，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，接收端為聚酯酰胺纖維網層，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聚酯酰胺復合纖維結構層。納米纖維截面為扁圓形，為中空結構，纖維直徑為400-1500nm，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305g/m2的復合纖維網層。最后將復合纖維網層與熔噴纖維層進行復合，形成雜化結構復合隔音材料。由上述方法制得的雜化結構復合隔音材料對500Hz聲源的吸收系數達到0.34，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.53，吸音性能較好。
實施例7
在本實施例中，具有微米結構的可生物降解纖維為聚酯纖維。聚酯纖維經過開梳處理形成單纖維狀態，然后將其鋪疊堆積成具有單軸取向的網層，面密度為30g/m2，厚度為3mm。該聚酯纖維的截面為圓形，有四個空腔結構，纖維直徑為16μm。
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(PCL，Mw＝8×104g/mol)真空干燥后(60℃，12h)，加熱熔融。將PCL熔體進行熔噴靜電紡絲成型，接收端為聚酯纖維網層，紡絲電壓為15kV，接收距離約為20cm，推進速度為0.5ml/h，得到PCL靜電紡纖維膜。納米纖維具有中空結構，纖維直徑為300-1000nm，納米纖維層克重為10.3g/m2。將PCL靜電紡纖維膜真空干燥后與聚酯中空短纖網層進行復合纖維層，得到克重為330g/m2的復合纖維網層。最后將復合纖維網層與熔噴纖維層進行復合，形成雜化結構復合隔音材料。由上述方法制得的雜化結構復合隔音材料對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。
實施例8
在本實施例中，具有微米結構的可生物降解纖維為聚丙烯纖維。聚丙烯經過開梳處理形成單纖維狀態，然后將其鋪疊堆積成具有單軸取向的網層，面密度為30g/m2，厚度為3mm。該聚丙烯纖維的截面為非圓形，有一個空腔結構，纖維直徑為6μm。
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(質量比為4:1)作為納米纖維成纖原料。聚乳酸(PLA，Mw＝3×105g/mol)和聚己內酯(Mw＝8×104g g/mol)真空干燥后(60℃，12h)，采用氯仿為溶劑，配置成10％、12％、14％、16％、18％，20％的溶液，磁力攪拌4h，靜置脫泡2h。將配好的PLA溶液進行針頭法靜電紡絲成型，接收端為聚丙烯纖維網層，紡絲電壓為15kV，接收距離約為12cm，推進速度為0.5ml/h，得到覆有不同纖維直徑的納米纖維層的聚丙烯復合纖維結構層，納米纖維層克重為10.1g/m2。濃度為10％、12％、14％、16％、18％，20％的PLA溶液靜電紡絲得到的納米纖維直徑分別為100-300、150-500、250-700、300-800、300-1000nm，形成纖維直徑梯度。將復合纖維結構層真空干燥后按纖維直徑梯度排列多層復合，得到克重為306g/m2的復合纖維網層。最后將復合纖維網層與熔噴纖維層進行復合，形成雜化結構復合隔音材料。由上述方法制得的雜化結構復合隔音材料對500Hz聲源的吸收系數達到0.39，對1000Hz聲源的吸收系數達到0.51，吸音性能較好。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發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，都包含在本發明的保護范圍之內。