Fabrication of a poly(L-lactide-co-Ɛ-decalactone) bio-foam with hierarchical microcellular structure for broadband sound absorption

Abstract

In order to improve the low-mid frequency acoustic absorption properties of porous sound absorption materials, it is known that the formation of a hierarchical pore structure as well as the excellent damping properties of the material itself are the critical factors that should be considered. Herein, we present a complementary design for copolymeric bio-foam, poly(L-lactide-co-ε-decalactone) (PLDL), through a statistical copolymerization and subsequent thermally-induced phase separation (TIPS) with lyophilization. This endows the final copolymeric bio-foam material with both major and minor pores ranging from hundreds of micrometers to tens of nanometers. The PLDL bio-foam with hierarchical microcellular structure possess the more tortuous propagation paths, showing the improvement of the low-mid sound absorption performance. Moreover, the incorporation of amorphous and flexible ε-decalactone (ε-DL) enables the PLDL to exhibit improved noise damping ability, resulting in the remarkable enhancement of sound absorption coefficient in a broad range of frequencies. Notably, the prepared PLDL bio-foam with a half the thickness of commercial PU foam shows almost analogous acoustic absorption capability over the entire frequency range. Our present work may be expected to contribute to the ongoing efforts regarding the design and fabrication of high-performance sustainable sound absorption materials.

차량 운행 중에는 차량과 노면의 마찰, 그리고 공기와의 마찰로 인해 넓은 주파수의 소음이 발생하기 때문에 흡음재를 사용한다. 이러한 흡음재 중, 밀도가 낮고 고주파음 흡음 성능이 뛰어난 고분자 폼 소재의 흡음 주파수 영역을 확장하기 위한 연구가 진행되고 있다. 상용화된 흡음 폼 소재는 PU, melamine 등의 석유 기반 고분자 물질들이 대부분을 차지한다. 그러나 상용 고분자 폼은 에너지 감쇠 거동이 떨어져 중저주파 음의 흡음 성능이 저하된다는 단점이 있다. 또한 최근 자동차 업계에서 바이오 플라스틱의 도입량이 꾸준히 높아지는 추세에서, 자연 유래고분자의 도입이 시도되고 있다. 자연유래 고분자 중 하나인 PLA은 높은 loss factor를 가져 에너지 감쇠 성능을 높여 중저주파 음의 흡음 성능을 개선시킬 수 있는 소재이다. 또한 PLA의 기존 단점이었던 취성을 극복하고, 분자의 점탄성 거동을 통한 에너지 소산을 향상하기 위해 자연 유래 고분자인 Poly(ε-decalactone)을 공중합하여 공중합 비율을 조절하였다. 그리고 만들어진 공중합체를 친환경 공법인 열 유도 상분리법을 통해 계층구조형 기공 분포를 가진 폼으로 제작하여 중저주파 음의 흡음 성능을 더욱 향상하고자 하였다. 이러한 기공 구조와 공중합체 재료의 향상된 점탄성 에너지 소산 거동을 통해 광대역 주파수에서 흡음 성능을 개선할 수 있었으며, 20 mm 두께의 폼에서 최대 0.33의 소음저감계수를 달성하여 친환경적인 흡음 소재를 제작하였다.