具有層狀波紋微結構的超輕彈性電紡纖維海綿用于有效低頻吸聲的應用

DOI: 10.1021/acsami.9b12444

通過直接靜電紡絲獲得的低密度3D超細纖維組件在吸聲領域具有廣闊的應用前景，但常常因其結構穩定性差而受阻。在這里，作者演示了一種具有微結構可逆彈性和高吸聲性能的靜電紡超細纖維海綿，該海綿是通過設計用作彈性單元的分層層狀波紋結構來實現的。所得的電紡纖維海綿即使在其重量的8900倍的負擔下變形也能迅速恢復到原始高度。尤其，該材料可以在60％應變的100次循環后保持其結構穩定性。而且，所制備材料的初始分層結構和疏水性賦予它們超輕的特性（密度為6.63 mg cm^-3），出色的低頻吸聲性和出色的性能保持性。這些新穎的材料的成功合成可能為輕巧高效的吸聲材料的設計提供新的視野。

圖1. PSFS的制備。 （a）制作PSFS的示意圖。 （b）TTMA在交聯處理過程中的化學反應（c）層狀波紋微結構的SEM。 （d-e）照片顯示超輕型PSFS可以站在羽毛的尖端，而大型PSFS的體積為60 * 70 * 1.5 cm³。

圖2.蓬松纖維組件的制造。 （a）在不同RH下制備的PS纖維組件的SEM圖像，插圖是其橫截面的相應圖像。 （b）制成的PS纖維組件的密度和孔隙率。 （c）PS-DMF-水系統的線性化濁點（LCP）曲線。 （d）三元相圖中PS-DMF-水的濁點曲線。

圖3. PSFS的制作。 （a）PS和PS / TTMA的DSC曲線。 （b）相關材料的FTIR分析。 （c）圖像顯示了交聯過程后各種TTMA含量的蓬松纖維組件的形態變化。 （d）熱處理后的PSFS的體積收縮率和（e）密度變化。 （f）具有不同TTMA含量的交聯纖維組件的SEM圖像。

圖4.制備的3D纖維材料的機械性能。 （a-b）圖像分別顯示了PS蓬松材料和交聯PSFS在60％應變壓縮下的微觀結構變化。 （c）壓縮各種纖維組件的應力-應變曲線。 （d-e）未交聯的纖維組件和交聯的PSFS-10的橫截面。 （f-g）未交聯的纖維組件和交聯的PSFS-10的彈性機制。 （h）循環壓縮下PSFS-10的應力-應變曲線。 （i）循環壓縮過程中PSFS-10的最大應力，楊氏模量和能量損耗系數的變化。 （j）圖片顯示了PSFS-10強大的可逆彈性。

圖5.吸音性能。 （a）比較緊密堆積的纖維和蓬松PSFS-10的宏觀和微觀結構。 （b）類似重量的PSFS-10和緊密堆積的纖維的吸聲性能。 （c）不同厚度的PSFS-10的吸聲性能。 （d）比較市售吸聲材料和制得的PSFS-10的吸聲性能。