具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料及其制备方法

本发明涉及气凝胶制备，具体涉及一种具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料及其制备方法。

背景技术：

1、噪声污染作为现代社会的隐形公害，已渗透至城市交通、工业生产及建筑环境等各个领域，严重威胁人类健康与生态平衡。人耳敏感感知的20 hz-20 khz声波频段，恰恰是交通轰鸣、机械振动等中低频噪声的核心分布区。这类噪声因波长较长、衰减缓慢，易与建筑结构发生共振并长距离传播，常规隔声屏障往往难以有效阻隔，成为噪声控制领域的棘手难题。

2、传统吸声材料依据频响特性可分为全频段、中高频、低频等类型，但不同频段对应的材料在“低频吸声能力”与“轻量化、宽频适配性”之间存在固有矛盾：全频段/中高频材料往往对低频噪声吸收不足，而低频吸声材料又常因结构厚重、频带狭窄，难以兼顾轻量化与宽频降噪需求。为突破这一矛盾，行业内尝试通过结构共振机制强化低频吸声——共振型吸声体（如穿孔板、薄膜结构）：共振型吸声体通过结构共振消耗声能，虽可针对特定低频峰进行吸收，但其窄带特性与复杂调谐工艺限制了其在宽频噪声场景中的应用。如何突破“薄厚度、轻质量、宽频带”的吸声技术瓶颈，成为材料科学领域的焦点问题。

3、纳米纤维材料的兴起为低频吸声提供了新思路。静电纺丝技术制备的纳米纤维膜凭借三维互联网络结构与高比表面积（可达100-300 m2/g），显著增强了声波的多级散射与界面耗散效应。研究证实，纤维直径降至亚微米级时，材料共振频率向低频偏移，且吸声峰值提升30%以上。然而，单层纳米纤维膜受限于超薄形态（通常<1 mm），难以满足1/4波长匹配理论对低频吸声的厚度要求（如100 hz对应厚度需达85 cm），直接增厚又会牺牲材料轻质性并引发结构失稳。

4、在此背景下，开发一种制备工艺简单，成本低廉且具有优异吸声性能的气凝胶及其制备方法具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料的制备方法。

2、本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料，以克服常规吸声材料密度大、吸声性能不理想、成本高的问题。

3、为此，本发明采用以下技术方案：

4、一种具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

5、s1，将高聚物和溶剂混合至均匀，得到纺丝液，所述纺丝液中高聚物的浓度为5～20wt%；

6、s2，用所述纺丝液进行静电纺丝，得到纤维膜前体；将所述纤维膜前体烘干，得到纤维膜；

7、s3，将所述纤维膜进行两次均质处理，得到第二分散液，其中，所述两次均质处理包括：先将所述纤维膜于第一溶液中均质处理25～30min，形成第一分散液；再向所述第一分散液中加入聚乙烯醇，继续均质处理50min～1h，得到第二分散液；

8、s4，将所述第二分散液倒入模具中，经干燥、退火处理，得到具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料。

9、其中，s1中所述高聚物为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚己内酯、壳聚糖、聚醚醚酮、聚氨酯、聚醚砜、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；所述溶剂为n,n -二甲基甲酰胺、水、二甲基亚砜、氯仿、二甲基乙酰胺、二氯乙烷、丙酮和甲苯中的至少一种。

10、优选的是，s2中静电纺丝的环境温度为23～27℃，环境湿度为47～52%rh，进料速度为0.6～1ml/h，喷丝板与的收集辊的垂直接收距离为10～15cm。；静电纺丝的接收基底为铝合金收集辊；所述烘干的温度为60℃～80℃，时间为6h～10h。

11、优选的是，s3中所述两次均质处理均在搅拌条件下进行，搅拌的转速均为8000～12000rpm；所述两次均质处理为：将0.18～0.22g所述纤维膜剪碎（例如1×1cm的片状），先于14～16ml水中均质处理25～30min，形成第一分散液；再向第一分散液中加入0.16～0.22g聚乙烯醇，继续均质处理1h，得到第二分散液。

12、步骤s4中，所述干燥包括：在-20℃常压下，于冰箱中冷冻24h；再于-80~-70℃常压下冷冻1h；最后于-80℃真空环境下冷冻48h；所述退火的温度为400℃～1000℃，时间为2h～5h。

13、本发明还提供一种上述制备方法获得的具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、1. 本发明的方法基于纳米纤维重构制备气凝胶。其中采用静电纺丝制备纤维膜，能精准调控纤维直径和形态，形成有序、均匀的纤维网络，为吸声气凝胶打造独特微观孔隙分布。纤维膜中的纳米级纤维具有高比表面积，增强了纳米纤维之间的交联，使具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料结构稳定，提升了吸声性能和隔热性能。

16、2.本发明通过将静电纺丝纳米纤维打碎、均质后重组，形成具有纳米级骨架（直径50-200 nm）与宏孔-介孔分级孔隙（孔隙率>98%）的三维网络，这种结构突破了传统材料的低频吸声性能与厚度/重量的强耦合限制，不仅赋予材料超低密度和优异回弹性，更通过调控孔道曲折度与声阻抗匹配，实现了宽频声能高效耗散，为发展新一代超轻宽频吸声材料提供理论依据。

17、3.本发明基于高聚物纳米纤维体系，创新性地引入聚乙烯醇（pva）交联策略，因精确掺杂pva，优化了工艺且能精准调控声阻抗匹配，提高了吸声系数（α＞0.5即为高性能吸声材料），有效解决了传统吸声材料在制备过程中存在的工艺复杂、性能不佳等问题。

18、4. 本发明的方法制备的气凝胶具有吸声性能优异、微观结构可控、轻质等特点，为新一代高性能吸声材料提供了科学依据与技术支撑，利于工业化大规模生产。

19、5. 本发明中制备的纤维膜柔韧性好，可按需裁剪、折叠；制成的气凝胶材料也继承了此特性，通过热成像测试，该气凝胶具有较好的隔热效果，且轻质，适用性强。

20、6. 本发明的方法工艺简单、设备成本低、原材料利用率高，大规模生产时能连续作业，提高了生产效率、降低了成本，还能精准控材，避免了浪费。

1.一种具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：s1中所述高聚物为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚己内酯、壳聚糖、聚醚醚酮、聚氨酯、聚醚砜、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s1中所述溶剂为n,n -二甲基甲酰胺、水、二甲基亚砜、氯仿、二甲基乙酰胺、二氯乙烷、丙酮和甲苯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：s1中，将高聚物和溶剂混合，于室温搅拌至均匀后得到纺丝液。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：s2中，静电纺丝的环境温度为23～27℃，环境湿度为47～52%rh，进料速度为0.6～1ml/h，喷丝板与的收集辊的垂直接收距离为10～15cm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：s2中，静电纺丝的接收基底为铝合金收集辊；所述烘干的温度为60℃～80℃，时间为6h～10h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：s3中，所述两次均质处理均在搅拌条件下进行，搅拌的转速均为8000～12000rpm；所述两次均质处理为：将0.18～0.22g所述纤维膜剪碎，先于14～16ml水中均质处理25～30min，形成第一分散液；再向第一分散液中加入0.16～0.22g聚乙烯醇，继续均质处理1h，得到第二分散液。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：s4中，所述干燥包括：在-20℃常压下，于冰箱中冷冻24h；再于-80~-70℃常压下冷冻1h；最后于-80℃真空环境下冷冻48h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：s4中，退火的温度为400℃～1000℃，时间为2h～5h。

10.一种权利要求1-9中任一项的制备方法制备的具有吸声和隔热功能的三维纳米气凝胶材料。