纤维类吸声材料
多孔吸声材料
多孔吸声材料是指内部含有互相连通孔隙的微孔材料，其吸声机理如图 1-4 所示：一方面，当声波入射到材料中时，会受到空气与孔隙间的摩擦粘滞作用；另一方面，声波的疏密相间传播特性使材料内部空气不断出现疏密相间的情况，因而会不断发生热交换；此外，通过材料自身的阻尼作用也可以耗散一部分噪声。按多孔吸声材料的结构形态，可将其分为颗粒类材料、泡沫类材料和纤维类材料三大类。
纤维类吸声材料
纤维类吸声材料内部具有大量微孔或间隙，孔隙细小且互相连通，分布均匀。纤维类材料的吸声机理如图 1-5 所示，当噪声进入到纤维材料内部时，首先会引起纤维间的空气振动，振动的空气不断和纤维表面碰撞，产生摩擦和粘滞效应，使声能有效减弱。其次，由于大部分声波属于纵波，其传播具有疏密相间的特性，因而会引起材料内部的空气持续压缩和回复，在这个过程中发生热交换的也可对噪声进行耗散。此外，在声波的刺激下，纤维本身也会发生振动，使一部分声能转化为热能而吸收。纤维材料分为天然纤维材料、无机纤维材料以及合成纤维材料三大类。天然纤维材料由于原料来源丰富而成为使用最早的一类吸声材料，但其存在易吸湿虫蛀等问题，导致材料长期使用时不稳定，需要定期更换。随后，无机纤维材料如玻璃纤维和金属纤维等有效克服了天然纤维的缺点而被广泛使用，但大部分的无机纤维脆性较大、且易掉粉，会对人体和环境造成伤害；且金属纤维材料成本较高。近年来，合成纤维吸声材料因具有疏水特性、力学性能较好且纤维直径可调等特点而成为主流的吸声材料。
静电纺三维纤维体型材料的研究进展
近年来，新开发出的静电纺三维纤维体型材料因具有纤维直径细、孔隙率高、轻质、厚度可控等优势，在吸声降噪领域表现出巨大的应用潜力。目前，三维静电纺纤维材料的构建主要包括层层堆叠法、3D 打印法、气体发泡法、液体辅助收集法、三维模板收集法、湿度调控法和冷冻干燥法。
1 层层堆叠法
通过静电纺丝技术将纤维以特定顺序组装成体型纤维材料是较为常用的方法之一。在不同条件下对两种不同的聚合物溶液进行交替静电纺丝或者通过改进的双平行喷丝头静电纺丝装置，均可制备聚己内酯（PCL）微米及纳米纤维层层交替堆积的三维材料，并可用于不同种类的细胞共存。此外，研究者还通过结合静电纺丝技术和聚合物直接熔融沉积（DPMD）技术制备出了功能化三维纤维支架。此外，通过后处理技术将所制备的纳米纤维膜进行堆叠是制备层层堆积三维纤维材料的另一方法。将静电纺纳米纤维材料剪成小片，在纳米纤维片层间注入纤维蛋白胶或粘结剂以保持材料的三维结构。将溶胶凝胶静电纺丝得到的 ZrO2-SiO2 纳米纤维膜切成预定尺寸，并浸入硅溶胶溶液中，随后将纤维膜进行逐层堆叠，在液氮中冷冻并冷冻干燥 40h，再经过煅烧得到交联后的多层纤维气凝胶；该材料具有层状的纤维结构，在90%应变下的抗压强度高达950kPa，且具有–196℃至 1100℃范围内不随温度变化的弹性。另外，通过卷绕等装置辅助静电纺丝技术也可制备三维纳米纤维材料。
2 3D打印法
打印技术相结合，可以制备出形状和孔隙可控的纤维支架。如图 1-9a 所示，通过静电纺丝制备明胶/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）纤维膜，并通过均质分散和蒸发干燥将纤维膜转化为短纤维粉末，随后将纤维粉、透明质酸溶液、聚氧化乙烯（PEO）溶液混合搅拌形成 3D 打印油墨；然后采用冻干交联的方法提高 3D 打印支架的力学性能以保持其结构稳定（图 1-9b），并通过软骨再生模型测试了其组织再生性能。在此基础上，通过在纤维打印油墨中引入脱细胞的细胞外基质赋予了海绵支架更好的生物相容性，使其可显著修复兔子的软骨缺损此外，将静电纺纤维和 3D 打印支架相结合制备出多种复合支架，并用于软骨分化、神经支架和骨组织修复等领域。
3 三维模板收集法
利用三维模板来作为收集器，通过改变电场作用使纤维以一定形状沉积成三维纤维集合以三维形状的收集器来接收纳米纤维，并通过调控电场力和电场强度实现了微观和宏观单管的制备，该单管具有多重微观图案和多级连通结构，且其尺寸、形状、结构和图案在一定范围内可调控（图 1-12a）。研究表明，三维接收器间的距离是影响不同形状、孔结构和图案的单管制备的主要因素（图 1-12b），若两接收器间的距离过近则会导致接收器间纤维的搭接。以中空的塑料球为模板，利用对称分布的+12.5kV 和–12.5kV 的电压，喷射出带相反电荷的两束PVP 溶液射流，两种异性电荷射流的相互吸引作用使其在到达中间平衡位置时进行中和形成纤维集合体，同时在中间位置的向上气流保持纤维海绵的受力平衡，因而制备过程可以持续进行将一组 1.5cm 长的不锈钢探头嵌入一个半球形塑料盘（直径 8cm、外壳厚度 0.2cm）中制成特殊的收集器，使纳米纤维在塑料盘的中心沉积成蓬松结构的 PLLA 纤维海绵（图 1-12c 和 1-12d）。随后，将海绵浸入到生物矿化的体液中并经过冷冻干燥得到 HA 封装的 PLLA 纤维海绵，海绵中纤维之间形成的互连孔结构（孔径为 65μm）显著促进了之间充质干细胞的附着、增殖、成骨分化和矿化。
三维超细纤维集合体在吸声领域的研究现状
静电纺纤维海绵以其独特的蓬松结构和性能，在高效、宽频吸声领域表现出巨大的应用优势。一方面，厚度对于提升纤维材料的吸声性能起着关键性的作用，纤维海绵相对较大的厚度有效延长了声波的耗散路径，从而增强了声能的耗散；同时纤维海绵的高孔隙率降低了表面声阻抗，使更多的声波进入并不断耗散。另一方面，超细纤维带来的高比表面积增多了纤维和声波间的接触点，从而增加了材料对声波的摩擦阻力，使声能转化为热能而衰减。
此外，得益于静电纺丝技术良好的技术和设备成熟度，国内外许多公司都已经建立了大规模生产线，其产量最高可超过 100kg/h，且幅宽已超过 1.5m，并且静电纺丝设备还一直在升级改进，未来几年一定会实现更大突破。这正好符合吸声材料所需的产量高、面积大的特点，尤其是交通领域需要使用大量吸声材料来降低各种噪音，由于交通工具（如飞机、高铁、汽车等）要求吸声材料轻质、易安装且力学性能稳定。因而，静电纺技术制备吸声材料具有巨大的产业应用价值。
参考文献
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编辑：张逸婷
校对：张文希 张也 张紫艳 兰泽
