TW201632695A - 吸音材料 - Google Patents
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Abstract
一種吸音材料，其包含複數個纖維所組成的薄膜，該纖維為壓電材料，該吸音材料於單位面積纖維重量為50g/m2以內、厚度小於1mm時，吸收頻率100Hz+/-10%之吸音係數為0.1以上，且800~1000Hz範圍的音頻吸音係數大於0.05；本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜具有多孔隙與高比表面積之特性，具有優異的吸音效果，尤其是在低頻、中頻出現良好的聲音吸收特性，相對於既有的吸音泡綿或不織布，可製成較大、均勻且可撓曲的薄膜，使用上更加方便，具有可吸收全頻音波之優異效能。
Description
一種吸音材料，特別是一種可吸收中、低頻率且具有壓電特性的吸音材料。
近年來建築不僅僅是遮風避雨，而是愈趨向增加生活品質，在噪音污染的現代，避免噪音干擾是一大趨勢。降低或是減少噪音干擾主要有以下幾種方法：1.找到噪音源，直接降低噪音源音量或是關掉。2.建材上利用具有吸音特性之材質，阻擋噪音。
找到噪音源並對其直接處理，進而降低噪音並不是一件容易的事，因此目前建材上的選擇多半是具有隔音或是吸音的材料作為處理噪音之手段。既有的吸音材料諸如吸音泡綿，請參考圖1a，其主要為吸收高頻範圍之音波，吸收中低頻音波的材料發展相對較少。
已有許多研究指出，中低頻率音波對人體不好的影響較高於高頻音波，因此，發展出可有效吸收中低頻音波材料或甚至是可全頻吸收的吸音材料是當前一大欲解決的問題。
為了解決現有技術對於中低音之噪音吸收不佳的技術問題，本發明利用一種具有壓電特性的吸音材料，可有效吸收中低頻音波而可降低中低頻音波對人體的傷害。本發明為一種吸音材料，其包含複數個纖維所組成的薄膜，該纖維為壓電材料，該吸音材料於單位面積纖維重量為50g/m2以內、厚度小於1mm時，吸收頻率100Hz+/-10%之吸音係數為0.1以上，且800~1000Hz範圍的音頻吸音係數大於0.05。
其中，該纖維中進一步包含均勻分布之一導電材料，使該吸音材料於100Hz+/-10%吸收頻率之峰值往低頻方向移動0.1～10％，吸音係數為0.1以上。
其中，該纖維係靜電紡絲纖維。
其中，其係靜電紡絲聚偏二氟乙烯所形成之聚偏二氟乙烯靜電紡絲奈米纖維膜，該聚偏二氟乙烯係為全部或部分β相之聚偏二氟乙烯。
其中，該靜電紡絲溶液包含聚偏二氟乙烯、丙酮及二甲基甲醯胺；以及該導電材料係石墨烯、氧化石墨烯、奈米碳管或奈米金。
其中，該靜電紡絲溶液中該聚偏二氟乙烯之重量百分比為15～20%，該聚偏二氟乙烯體積比上該丙酮及該二甲基甲醯體積為1：1～9：1，該導電材料之重量百分比為0.1～10%。
其中，該靜電紡絲溶液中該聚偏二氟乙烯之重量百分比為18%，該聚偏二氟乙烯體積比上該丙酮及該二甲基甲醯體積為6：4。
其中，其與一吸音泡綿或是一吸音不織布形成疊層結構，該疊層結構形成頻率80Hz以上之吸音係數大於0.05。
由上述說明可知，本發明具備有以下之優點：
1.經證實，本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜具具有優異的吸音效果，尤其是在低頻、中頻出現良好的聲音吸收特性，解決現有技術的問題。
2.本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜相對於既有的吸音泡綿或不織布，製成簡單且厚度較薄，且材質均勻且可高度可撓曲，使用上更加方便。
3. 本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜配合其他具有吸收高頻特性之材料，可製成具有極高的潛力之全頻音波吸收材料，且因為本發明所提供的材料厚度非常薄，不需透過複雜的結構設計即可達到中低頻段的噪音吸收，未見於現有的傳統技術，配合既有高音頻吸收材料即可達到絕佳優異的全頻段聲音吸收。
一種吸音材料，其包含複數個纖維所組成的薄膜，該纖維為壓電材料。該纖維較佳係靜電紡絲纖維，一較佳實施例係該纖維為靜電紡絲聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride, PVDF)所形成之奈米纖維膜。
該靜電紡絲可為融熔或溶液型的靜電紡絲。該聚偏二氟乙烯靜電紡絲奈米纖維膜之奈米纖維中較佳可均勻分散一導電材料，較佳的該導電材料為奈米等級之導電材料，如石墨烯(Graphene, GP)、氧化石墨烯、奈米碳管(Carbon nanotube, CNT)、奈米金或其他的導電粒子，亦可將兩種或兩種以上之導電材料混合一起使用。
【實施例1】
步驟1：將一PVDF粒子混合含有N,N-dimethylformamide (DMF)與丙酮(Acetone)之一DMF-acetone溶劑形成PVDF/DMF-acetone溶液。
上述該PVDF/DMF-acetone溶液中所含之PVDF重量百分比較佳為15～20 wt%，PVDF與DMF-acetone溶液體積比為1：1～9：1，較佳為6:4。
步驟2：加熱該PVDF/DMF-acetone溶液於100o
C，並攪拌使該PVDF粒完全溶解，並冷卻至約25o
C。
步驟3：利用該PVDF/DMF-acetone溶液靜電紡絲成一PVDF靜電紡絲奈米纖維膜奈米纖維膜。
該靜電紡絲參數依據使用的設備不同而有所差異，本實施例使用之一電紡模頭與一接收屏之距離為20cm，所施加之電壓為16kV，用於輔助該電紡模頭擠出材料之幫浦的流量為0.2ml/hr。]
【實施例2】
步驟1：將一PVDF粒子及石墨烯(Graphene)混合含有二甲基甲醯胺(N,N-dimethylformamide, DMF)與丙酮(Acetone)之DMF-acetone溶劑形成PVDF/Graphene/DMF-acetone溶液。
上述該PVDF/Graphene/DMF-acetone溶液濃度可為15～20 wt%，較佳為18 wt%；PVDF/ Graphene與DMF-acetone溶液體積比可為1:1～9:1，較佳為6:4，該導電材料之重量百分比為0.1～10%。
步驟2：加熱該PVDF/Graphene/DMF-acetone溶液於100o
C，並攪拌使該PVDF粒與石墨烯完全分散溶解，並冷卻至室溫。
步驟3：利用該PVDF/Graphene/DMF-acetone溶液靜電紡絲成一PVDF/Graphene靜電紡絲奈米纖維膜。
該靜電紡絲參數一較佳實施例為電紡模頭與接收屏距離20cm、施加電壓16kV、幫浦流量為0.2ml/hr。進一步地，該PVDF纖維也可為融熔型態之靜電紡絲纖維。
聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride, PVDF)在自然界之五種以上的結晶相態中，其以α-phase為主要晶相，但以β-phase具有最佳的壓電效果與吸音特性。既有技術為了讓PVDF具備β-phase之晶相，可以利用機械拉伸或是加熱等方法將α-phase的PVDF轉換成β-phase。本發明則是利用靜電紡絲製程中所產生的高壓電場直接將α-phase的PVDF溶液靜電紡絲成為β-phase的PVDF奈米纖維膜，藉此可達到直接製成具有吸音效果的薄膜之技術效果。
在驗證效能方面，本發明利用掃描式電子顯微鏡(SEM) 、原子力顯微鏡(AFM)、X-Ray散射儀(XRD)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)進行結構特性之分析如下：
請參考圖1，其為本發明實施例1之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜SEM示意圖。圖2為本發明實施例2之PVDF/Graphene靜電紡絲奈米纖維膜SEM示意圖。圖3為本發明之PVDF/CNT靜電紡絲奈米纖維膜之SEM示意圖。其中，該PVDF靜電紡絲奈米纖維膜之纖維直徑約156+/-13nm，該PVDF/Graphene靜電紡絲奈米纖維膜之纖維直徑約169+/-21nm，該PVDF/CNT靜電紡絲奈米纖維膜之直徑為138+/-21nm，證實本發明成功將PVDF靜電紡絲成奈米纖維膜。
請參考圖4～圖5，圖4為本發明實施例1之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜AFM示意圖，圖5為本發明實施例2之PVDF/Graphene靜電紡絲奈米纖維膜AFM示意圖，可看出兩者之纖維外表皆為粗糙纖維表面，此特性可有效增加本發明之表面積，可提升本發明之吸音效能。
請參考圖6～圖9，其中，A為未拉伸且未靜電紡絲之PVDF薄膜(unstretched PVDF film)、B為本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜(ES PVDF)、C為本發明之PVDF/Graphene靜電紡絲奈米纖維膜、D為機械拉伸3.5次且未靜電紡絲之PVDF膜(stretched PVDF film x3.5)以及E為本發明之PVDF/CNT之靜電紡絲奈米纖維膜(ES PVDF/CNT)。其中，A之單位面積纖維重量為156.3g/m2
、B之單位面積纖維重量為39.1g/m2
、C之單位面積纖維重量為45.5g/m2
、D之單位面積纖維重量為97.6g/m2
、E之單位面積纖維重量為56.52g/m2
。本發明之各實施例薄膜厚度介於0.2mm～0.3mm。由圖6之XRD示意圖可看出，波峰20.6o
(110)為β-phase之結晶波峰，僅本發明之實施例顯示出PVDF的β-phase特性，可證實本發明之實施例具有β-phase壓電特性。請參考圖7，其為本發明之傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)測試結果。可看出本發明之B、C、E顯示出PVDF的β-phase特性。
請參考表1，其為本發明各實施例之PVDF所含之β-phase以及壓電特性測試結果，可知PVDF之β-phase含量與其壓電特性成正相關，且本發明添加導電因子石墨烯、奈米碳管之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜皆具有良好的壓電特性。
表1。
請參考圖8a～圖9，其為本發明各實施例之吸收頻率示意圖以及各實施例之吸收頻率比較示意圖，圖8a為未拉伸且未靜電紡絲之PVDF薄膜(unstretched PVDF film)之吸收頻率示意圖、圖8b為本發明之PVDF奈米纖維膜(ES PVDF)之吸收頻率示意圖、圖8c為本發明之PVDF/Graphene奈米纖維膜之吸收頻率示意圖以及圖8d為機械拉伸3.5次且未靜電紡絲之PVDF膜(stretched PVDF film x3.5)之吸收頻率示意圖。一般定義高頻音波頻率大約是1000Hz～6000Hz，中頻音波頻率大約是400Hz～1000Hz，低頻音波頻率大約是100 Hz～400 Hz。由圖8a～圖9可知，本發明之PVDF奈米纖維膜於低、中頻皆有吸收波峰，而本發明添加導電粒子之奈米纖維膜甚至具有超低頻(小於100Hz)之優異吸音特性，可知添加導電粒子會增加本發明導電特性，壓電性質更加提升，使本發明可吸收更低頻率之音波。
為提昇本發明全頻吸音之效能，進一步地，可將本發明與一般之吸音不織布或泡綿疊合形成一疊層結構使用，創造出可吸收高頻音波至低頻音波之更全面音頻吸收材料。
請參考圖10，其為本發明之較佳實施例PVDF奈米纖維膜B、一般吸音泡綿(Acoustic foam)以及本發明PVDF奈米纖維膜B結合一般吸音泡綿之吸音係數與頻率測試圖，其中，該吸音泡綿之單厚度為25mm，單位面積重量為250.58g/m2
，由圖9可看出本發明之PVDF奈米纖維膜B可吸收90～1000Hz之中低頻率之音頻，且於90~150Hz之極低頻率音頻具有吸音係數為0.05以上之吸音效能，相較於一般吸音泡綿具有更佳吸收低頻音頻之功效。本發明進一步結合一般吸音泡綿更可具有吸收低頻至高頻之全頻段吸收效果。
由上述說明可知，本發明具備有以下之優點：
1.經證實，本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜具具有優異的吸音效果，尤其是在低頻、中頻出現良好的聲音吸收特性，解決現有技術的問題。而且，本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜之厚度極低（＜1mm），其於單位面積纖維重量為50g/m2
以內時，可在低頻約於100Hz之吸音係數0.1以上、中頻800～100Hz之吸音係數0.05以上。因此，當本發明厚度增大或堆疊增厚時，即可於100~1000Hz中低頻段均具有良好的吸音效果。
2.本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜相對於既有的吸音泡綿或不織布，製成簡單且厚度較薄，且材質均勻且可高度可撓曲，使用上更加方便。
3.本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜配合其他具有吸收高頻特性之材料，可製成具有極高的潛力之全頻音波吸收材料，且因為本發明所提供的材料厚度非常薄，不需透過複雜的結構設計即可達到中低頻段的噪音吸收，未見於現有的傳統技術，配合既有高音頻吸收材料即可達到絕佳優異的全頻段聲音吸收。
圖1a為一般吸音泡綿之吸收頻率示意圖。 圖1為本發明PVDF靜電紡絲奈米纖維膜較佳實施例之SEM示意圖。 圖2為本發明PVDF/Graphene靜電紡絲奈米纖維膜較佳實施例之SEM示意圖。 圖3為本發明PVDF/CNT靜電紡絲奈米纖維膜較佳實施例之SEM示意圖。 圖4為本發明PVDF靜電紡絲奈米纖維膜較佳實施例之AFM示意圖。 圖5為本發明PVDF/Graphene靜電紡絲奈米纖維膜較佳實施例之AFM示意圖。 圖6為本發明各實施例之XRD示意圖。 圖7 為本發明各實施例之FTIR測試結果示意圖。 圖8a為未拉伸且未靜電紡絲之PVDF薄膜之吸收頻率示意圖。 圖8b為本發明之PVDF靜電紡絲奈米纖維膜(ES PVDF)之吸收頻率示意圖。 圖8c為本發明之PVDF/Graphene靜電紡絲奈米纖維膜較佳實施例之吸收頻率示意圖。 圖8d為機械拉伸3.5次且未靜電紡絲之PVDF膜之吸收頻率示意圖。 圖9為本發明各實施例之吸收頻率比較示意圖。 圖10為本發明吸音係數與頻率測試圖。
Claims (8)
- 一種吸音材料，其包含複數個纖維所組成的薄膜，該纖維為壓電材料，該吸音材料於單位面積纖維重量為50g/m2 以內、厚度小於1mm時，吸收頻率100Hz+/-10%之吸音係數為0.1以上，且800~1000Hz範圍的音頻吸音係數大於0.05。
- 如申請專利範圍第1項之吸音材料，該纖維中進一步包含均勻分布之一導電材料，使該吸音材料於100Hz+/-10%吸收頻率之峰值往低頻方向移動0.1～10％，吸音係數為0.1以上。
- 如申請專利範圍第1或2項之吸音材料，該纖維係靜電紡絲纖維。
- 如申請專利範圍第3項之吸音材料，其係靜電紡絲聚偏二氟乙烯所形成之聚偏二氟乙烯靜電紡絲奈米纖維膜，該聚偏二氟乙烯係為全部或部分β相之聚偏二氟乙烯。
- 如申請專利範圍第4項之吸音材料，其中： 該靜電紡絲溶液包含聚偏二氟乙烯、丙酮及二甲基甲醯胺；以及 該導電材料係石墨烯、氧化石墨烯、奈米碳管或奈米金。
- 如申請專利範圍第5項之吸音材料，該靜電紡絲溶液中該聚偏二氟乙烯之重量百分比為15～20%，該聚偏二氟乙烯體積比上該丙酮及該二甲基甲醯體積為1：1～9：1，該導電材料之重量百分比為0.1～10%。
- 如申請專利範圍第6項之吸音材料，該靜電紡絲溶液中該聚偏二氟乙烯之重量百分比為18%，該聚偏二氟乙烯體積比上該丙酮及該二甲基甲醯體積為6：4。
- 如申請專利範圍第7項之吸音材料，其與一吸音泡綿或是一吸音不織布形成疊層結構，該疊層結構形成頻率80Hz以上之吸音係數大於0.05。
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