CN117230572A - 一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新材料领域，公开了一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法。该方法包括：在第一聚合物树脂中加入过氧化二异丙胺或者超支化聚酯，制备得到第一纺丝液，使得300摄氏度下第一纺丝液的动粘度1‑10Pa·s；采用熔喷设备对所述第一纺丝液进行熔喷处理得到第一聚合物纤维；在第二聚合物树脂加入十氢萘，制备得到第二纺丝液，使得140摄氏度下第二纺丝液的动粘度在10‑50mPa·s，采用闪蒸设备对所述第二纺丝液进行闪蒸处理得到第二聚合物纤维；在风机牵引下，将在熔喷设备出口处的第一聚合物纤维和在闪蒸设备出口处的第二聚合物纤维采用多个空气喷嘴混合均匀，得到中低频段吸音功能性纳米纤维。本发明制备方法简单，吸音效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法。
背景技术
目前为止，PP，PET，聚氨酯以及玻纤等材料的多孔质纤维以及发泡材料是我们已知的比较具有代表性并且被广泛应用的吸音材料。由于上述材料大多为数微米等级，1微米以下的纳米等级的纤维的应用场景还很少，所以应用效果和吸音隔音能力也被大大地限制了。
另外，根据基于Biot理论的解析结果，要想有效吸收各个频段的音波，吸音材料内部多孔构造的孔的大小，复杂度以及孔与孔之间的距离都是非常重要的指标。
所以，为了可以吸收各种频段的音波，用数微米的粗纤维作为骨架维持整体弹性的同时，用纳米等级的极细纤维来填充多孔结构内部从而增加材料内部的表面积以及复杂度被证实是非常有效的手法。但是这种材料的制作工艺非常复杂。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维方法复杂的问题。本发明第一方面提供了一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，所述方法包括：
在第一聚合物树脂中加入过氧化二异丙胺或者超支化聚酯，制备得到第一纺丝液，使得300摄氏度下第一纺丝液的动粘度1-10Pa·s；
采用熔喷设备对所述第一纺丝液进行熔喷处理得到第一聚合物纤维；
在第二聚合物树脂加入十氢萘，制备得到第二纺丝液，使得140摄氏度下第二纺丝液的动粘度在10-50mPa·s，
采用闪蒸设备对所述第二纺丝液进行闪蒸处理得到第二聚合物纤维；
在风机牵引下，将在熔喷设备出口处的第一聚合物纤维和在闪蒸设备出口处的第二聚合物纤维采用多个空气喷嘴混合均匀，得到中低频段吸音功能性纳米纤维。
作为一种优选的技术方案，调整所述熔喷设备的参数，使得第二聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。
作为一种优选的技术方案，所述风机牵引后，熔喷设备出口处和闪蒸设备出口处的风速为100-400m/s。
作为一种优选的技术方案，所述熔喷设备出口与空气喷孔的距离为1-3mm。
作为一种优选的技术方案，所述闪蒸设备出口与空气喷孔的距离为1-3mm。
作为一种优选的技术方案，所述熔喷设备出口与空气喷孔形成的夹角为30-50度。
作为一种优选的技术方案，所述闪蒸设备出口与空气喷孔形成的夹角为30-50度。
一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备系统，所述制备系统包括熔喷设备、闪蒸设备、多个空气喷孔、风机以及帘子布；
所述熔喷设备用于对第一纺丝液进行熔喷处理，得到第一聚合物纤维；
所述闪蒸设备用于对第二纺丝液进行闪蒸处理，得到第二聚合物纤维；
所述多个空气喷孔用于混合所述第一聚合物纤维和所述第二聚合物纤维；
所述熔喷设备出口处设置至少一个空气喷孔；
所述闪蒸设备出口处设置至少一个空气喷孔；
所述风机用于牵引所述第一聚合物纤维和所述第二聚合物纤维，将所述第一聚合物纤维和所述第二聚合物纤维牵引至帘子布，得到中低频段吸音功能性纳米纤维。
本发明通过采用了本发明的制备系统，实现跨多个频段的声波吸收，并增强中低频段的吸收性能，设计了结合数微米粗纤维(作为骨架确保整体弹性)和纳米级细纤维(用于填充多孔结构)的结构。这种设计旨在增加材料的内部表面积，从而深化声波在其孔隙中的渗透。孔隙，特别是开放且互联的孔隙，使声波受到空气分子的摩擦和粘滞阻力，并引发纤维的机械振动，从而实现声能转化为热能。当声音与材料互动时，部分声能会被反射，部分会穿透材料。此外，由于材料的振动或声音在其内部的传播，声能与周围介质产生摩擦并被转化为热能。通过本项目研发的闪喷法，能够精确地控制纤维的配比和孔隙率，进一步优化纤维内部的表面积和结构复杂度，以最大化声音与材料的摩擦效果，实现卓越的吸音性能。
附图说明
图1为本发明中低频段吸音功能性纳米纤维制备系统的示意图。
图2为实施例1制备得到的纤维的SEM显微镜照片以及度数分布图。
图3为实施例1制备得到的纤维集合体的0-5000Hz的吸音率和0-1000Hz的吸音率。
图4为实施例2制备得到的纤维的SEM显微镜照片以及度数分布图。
图5为实施例2制备得到的纤维集合体的0-5000Hz的吸音率和0-1000Hz的吸音率。
图6为实施例3制备得到的纤维的SEM显微镜照片以及度数分布图。
图7为实施例3制备得到的纤维集合体的0-5000Hz的吸音率和0-1000Hz的吸音率。
附图标记：
熔喷设备1、闪蒸设备2、空气喷孔3、风机4、帘子布5。
具体实施方式
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”或“具有”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或生产设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或生产设备固有的其它步骤或单元。
如图1，一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备系统，所述制备系统包括熔喷设备、闪蒸设备、多个空气喷孔、风机以及帘子布；所述熔喷设备用于对第一纺丝液进行熔喷处理，得到第一聚合物纤维；所述闪蒸设备用于对第二纺丝液进行闪蒸处理，得到第二聚合物纤维；所述多个空气喷孔用于混合所述第一聚合物纤维和所述第二聚合物纤维；所述熔喷设备出口处设置至少一个空气喷孔；所述闪蒸设备出口处设置至少一个空气喷孔；所述风机用于牵引所述第一聚合物纤维和所述第二聚合物纤维，将所述第一聚合物纤维和所述第二聚合物纤维牵引至帘子布，得到中低频段吸音功能性纳米纤维。
1.熔喷法：将所选的改性过的高流动性高分子材料倒入螺杆机中，将温度加热至其熔点的1.5倍以上从模头挤出的同时被风刀流出的高温音速空气瞬间拉伸成纤维，由于风刀的流速分布和温度分布被改良，所以各处流出的纤维将被拉伸成粗细不一的具有正态分布的纤维集合体。
2.闪蒸法：将所选的高分子材料按一定比例投入溶剂中，加热搅拌至溶解后投入设备中将其纤维化。同样，基于对模头和空气的位置调整以及对空气的流速分布和温度分布的控制，可以制成具有正态分布的粗细不一的纤维集合体。1和2的共同使用我们将其称为闪蒸法。
将此闪喷法制成的平均纤维直径为5-8μm的具有正态纤维径分布的纤维调整到表观密度为0.05g/cm3(多孔度＝1-(表观密度/材料密度))以下时，纤维集合体将具备以下性能参数：
多孔度：＞95％
迷路度：1-1.4
200-400Hz的吸音率：≥50％
400-800Hz的吸音率：≥90％
800-5000Hz吸音率≥95％
(注1：轨道交通(胎噪)胎噪频率范围→500-2000Hz)
(注2：高端装备(机器)频率范围→200以上)
纵向弹性率＞10KPa
平均纤维径：5-8微米
纤维直径分布：正态分布
变动系数：45％-65％
400Hz以上的平均吸音系数：≥0.8
流体阻力：＞10000Ns/m^4。
调整所述闪蒸设备的参数，使得第一聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。
如果所使用的材料为耐腐蚀，耐高温的高分子材料，纤维集合体还将具备以下性能。
耐酸碱，耐有机溶剂
吸水性：强疏水性
抗菌效果：JIS1902:2015活性值2.8(效果好)
一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，所述方法包括：
在第一聚合物树脂中加入过氧化二异丙胺，制备得到第一纺丝液，使得300摄氏度下第一纺丝液的动粘度1-10Pa·s；
采用熔喷设备对所述第一纺丝液进行熔喷处理得到第一聚合物纤维；
在第二聚合物树脂加入十氢萘，制备得到第二纺丝液，使得140摄氏度下第二纺丝液的动粘度在10-50mPa·s；
采用闪蒸设备对所述第二纺丝液进行闪蒸处理得到第二聚合物纤维；
在风机牵引下，将在熔喷设备出口处的第一聚合物纤维和在闪蒸设备出口处的第二聚合物纤维采用多个空气喷嘴混合均匀，得到中低频段吸音功能性纳米纤维。
作为一种优选的实施方式，调整所述闪蒸设备的参数，使得第一聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。
作为一种优选的实施方式，调整所述熔喷设备的参数，使得第二聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。
作为一种优选的实施方式，所述风机牵引后，熔喷设备出口处和闪蒸设备出口处的风速为100-400m/s。
作为一种优选的实施方式，所述熔喷设备出口与空气喷孔的距离为1-3mm。
作为一种优选的实施方式，所述闪蒸设备出口与空气喷孔的距离为1-3mm。
作为一种优选的实施方式，所述熔喷设备出口与空气喷孔形成的夹角为30-50度。
作为一种优选的实施方式，作为一种优选的实施方式，所述闪蒸设备出口与空气喷孔形成的夹角为30-50度。
为防止熔喷法生产纤维时的高温碳化，我们开发的设备采用长径比不超过24的短螺杆机进行材料的熔融挤出。为在短时间内完全熔融材料，选用粒径为2mm以下的微粒子。
实施例1
采用聚丙烯(Basel MF650Y)作为聚合物树脂，加入过氧化二异丙胺，制备得到第一纺丝液，使得300摄氏度下第一纺丝液的动粘度8Pa·s；采用聚丙烯作为聚合物树脂，加入十氢萘，制备得到第二纺丝液，使得140摄氏度下第二纺丝液的动粘度在30mPa·s；
调整所述闪蒸设备的参数，使得第一聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。调整所述熔喷设备的参数，使得第二聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。熔喷设备出口处和闪蒸设备出口处的风速为300m/s。所述熔喷设备出口与空气喷孔的距离为2mm，夹角为40度。所述闪蒸设备出口与空气喷孔的距离为2mm，夹角为40度。
采用前述的设备进行处理得到中低频段吸音功能性纳米纤维，纤维样本取样100根，平均纤维直径7.5，标准偏差2.3，纤维表观密度0.03g/cm3，纤维平均间距约30μm，实验结果如图2和图3。
实施例2
采用PET(kuraray Ks710B-8S)作为聚合物树脂，加入超支化聚酯(威海晨源分子CYD-C602A)，制备得到第一纺丝液，使得300摄氏度下第一纺丝液的动粘度7Pa·s；采用聚丙烯作为聚合物树脂，加入十氢萘，制备得到第二纺丝液，使得140摄氏度下第二纺丝液的动粘度在40mPa·s；
调整所述闪蒸设备的参数，使得第一聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。调整所述熔喷设备的参数，使得第二聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。熔喷设备出口处和闪蒸设备出口处的风速为300m/s。所述熔喷设备出口与空气喷孔的距离为2mm，夹角为40度。所述闪蒸设备出口与空气喷孔的距离为2mm，夹角为40度。
采用前述的设备进行处理得到中低频段吸音功能性纳米纤维，纤维样本取样100根，平均纤维直径7.8，标准偏差2.6，纤维表观密度0.03g/cm3，纤维平均间距约30μm，实验结果如图4和图5。
实施例3
采用PC(IDEMITSU MD1500)作为聚合物树脂，加入过超支化聚酯(威海晨源分子CYD-C602A)，制备得到第一纺丝液，使得300摄氏度下第一纺丝液的动粘度5Pa·s；采用聚丙烯作为聚合物树脂，加入十氢萘，制备得到第二纺丝液，使得140摄氏度下第二纺丝液的动粘度在20mPa·s；
调整所述闪蒸设备的参数，使得第一聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。调整所述熔喷设备的参数，使得第二聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。熔喷设备出口处和闪蒸设备出口处的风速为300m/s。所述熔喷设备出口与空气喷孔的距离为2mm，夹角为40度。所述闪蒸设备出口与空气喷孔的距离为2mm，夹角为40度。
采用前述的设备进行处理得到中低频段吸音功能性纳米纤维，纤维样本取样100根，平均纤维直径8.2，标准偏差3.1，纤维表观密度0.03g/cm3，纤维平均间距约30μm，实验结果如图6和图7。
可以看出，采用了上述方案制备得到的中低频段吸音功能性纳米纤维具有很好的质量，且制备方法简单便捷。相对于常规产品(采用闪蒸设备或者熔喷设备单独制备得到)，采用本发明的制备方法制备得到的中低频段吸音功能性纳米纤维具有以下指标：
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在第一聚合物树脂中加入过氧化二异丙胺或者超支化聚酯，制备得到第一纺丝液，使得300摄氏度下第一纺丝液的动粘度1-10Pa·s；
采用熔喷设备对所述第一纺丝液进行熔喷处理得到第一聚合物纤维；
在第二聚合物树脂加入十氢萘，制备得到第二纺丝液，使得140摄氏度下第二纺丝液的动粘度在10-50mPa·s，
采用闪蒸设备对所述第二纺丝液进行闪蒸处理得到第二聚合物纤维；
在风机牵引下，将在熔喷设备出口处的第一聚合物纤维和在闪蒸设备出口处的第二聚合物纤维采用多个空气喷嘴混合均匀，得到中低频段吸音功能性纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，其特征在于，调整所述闪蒸设备的参数，使得第一聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。
3.根据权利要求1所述的一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，其特征在于，调整所述熔喷设备的参数，使得第二聚合物纤维的平均纤维直径呈正态分布。
4.根据权利要求1所述的一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述风机牵引后，熔喷设备出口处和闪蒸设备出口处的风速为100-400m/s。
5.根据权利要求1所述的一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述熔喷设备出口与空气喷孔的距离为1-3mm。
6.根据权利要求1所述的一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述闪蒸设备出口与空气喷孔的距离为1-3mm。
7.根据权利要求1所述的一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述熔喷设备出口与空气喷孔形成的夹角为30-50度。
8.根据权利要求1所述的一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述闪蒸设备出口与空气喷孔形成的夹角为30-50度。
9.一种高端装备用中低频段吸音功能性纳米纤维的制备系统，其特征在于，所述制备系统包括熔喷设备、闪蒸设备、多个空气喷孔、风机以及帘子布；
所述熔喷设备用于对第一纺丝液进行熔喷处理，得到第一聚合物纤维；
所述闪蒸设备用于对第二纺丝液进行闪蒸处理，得到第二聚合物纤维；
所述多个空气喷孔用于混合所述第一聚合物纤维和所述第二聚合物纤维；
所述熔喷设备出口处设置至少一个空气喷孔；
所述闪蒸设备出口处设置至少一个空气喷孔；
所述风机用于牵引所述第一聚合物纤维和所述第二聚合物纤维，将所述第一聚合物纤维和所述第二聚合物纤维牵引至帘子布，得到中低频段吸音功能性纳米纤维。
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