CN107443845A - 一种软硬交替层状降噪高分子材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种软硬交替层状降噪高分子材料及其制备方法。所述软硬交替层状降噪高分子材料是由两块石墨烯/聚氯乙烯复合材料片中间堆叠一块硅藻土/聚氨酯复合材料片形成的“三明治”形层状结构，各原料组分按重量份数计为：聚氯乙烯树脂100份、稳定剂1～3份、氧化石墨0.5～2.0份、聚氨酯树脂100份、增塑剂15～30份、发泡剂3～5份、发泡促进剂0.5～1份、硅藻土5～20份。本发明将“石墨烯/聚氯乙烯复合材料层”和中间的“硅藻土/聚氨酯复合材料层”结合起来制得三层板式结构，三层复合材料层互相补充，增大声波在材料介质内的反射、折射等，从而耗散掉声波能量，达到降噪的目的。

Description

一种软硬交替层状降噪高分子材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种软硬交替层状降噪高分子材料及其制备方法。
背景技术
随着现代工业的快速发展，环境污染随之产生，噪声污染便是其中之一，它不仅干扰了人们正常的工作和生活，同时严重损害了人们的身心健康。面对日益严重的噪声污染所带来的影响，如何有效地防治和控制噪声已成为当今社会亟待解决的一大难题。声音的传播是由声源、传播途径及接收者三个部分组成，控制声源是处理噪声污染的第一步，但由于声源在环境中的客观存在，所以人们主要着重于通过控制噪声的传播途径来降低噪声对接收者的危害。因此，各种各样的吸声降噪材料吸引了广大研究者的关注，开发一种新型隔音和吸音材料是噪音控制领域的可行性方向。相比于采用金属和无机材料这些噪音控制手段，高分子复合材料种类繁多，性能各异，其质轻、高阻尼和易于加工等特点吸引了广泛关注。因此，我们需要深入研究声波的传播与高分子材料的结构、机械性能等之间的关系，并对高分子复合材料做出适当的改性来提升其隔音或吸音性能。
隔音材料是指阻隔声波传递的材料，当声波从空气进入隔音材料进行跨介质传播时，介质密度相差越大，声能的损耗就越大。传统的隔音材料一般遵循了质量定律去选择质量大、结构密实的材料，比如砖、混凝土、钢筋等无机材料和金属材料。但是这些材料比较笨重且加工性能差，成本高，这些缺点大大限制了其使用范围。在此背景下，高分子材料因其具有特殊的长链结构、易于加工、质量轻以及较高的阻尼损耗因子等优点应运而生。所谓隔音，就是用构件阻挡声音的传递，这种构件可以消耗声音能量，我们称之为隔音材料。早期著名的隔音理论是Rayleigh在《声学理论》中提出的“质量定律”，该定律阐述，将构件看作是单层的均匀密实的材料，在受到声波冲击时，构件的面密度(单位面积质量)、入射波的频率和声压决定了构件的振幅，构件的隔声量依赖于面密度和声波频率。用公式表示为：STL＝20log10(mf)-42式中，STL为声传递损耗；m为面密度；f为声波频率。材料的面密度可由材料的刚性、储能模量来反映，面密度值越大，声传递损耗越多。在高分子隔音材料改性方面，通常是采取用不同填料填充聚合物构成聚合物基复合材料来提高其模量，增大声传损耗，改善材料的隔音性能。石墨烯作为目前所知强度最大的二维碳材料，自其被发现便引起了广大研究者的关注，它的杨氏模量可达1000GPa以上，是聚合物基复合材料的良好填料，利用其可极大地提高复合材料的面密度及模量。
声波是一种机械能，它必须借助于一定的媒介才能传播，且在不同的媒介中具有不同的传播速度和损耗。声能的损耗主要是通过热传导、粘滞性内摩擦和弛豫作用来完成，材料在某种意义上来说也属于声波的一种媒介，因此声波在材料中的损耗也是通过这三种方式。阻尼高分子材料是将声能或振动能转换成其他形式的能量耗散掉，通常是以热能为主。多孔结构可构建声波在材料内部传播的通道，当声波进入材料内部时会引起孔内空气的振动，使部分入射声能转化为热能，通过热传导与孔壁进行热交换。同时，声波在材料内部的传播时会被孔壁反射使之再次进入孔洞，此过程不断地反复进行，使声能不断地衰减直至完全消耗殆尽，由此达到耗散声波能量的效果。泡沫型材料可利用发泡技术将聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯等高分子材料进行发泡，或加入多孔填料，使材料获得多孔结构，并通过调节温度、压力等参数控制发泡泡孔的大小、数量和分布来提高吸音效果。高分子泡沫材料由于具有易加工、成本低、吸音性能稳定等优点，在建筑及汽车材料等方面得到了广泛的应用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，目的在于提供一种软硬交替层状降噪高分子材料及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种软硬交替层状降噪高分子材料，所述软硬交替层状降噪高分子材料是由两块石墨烯/聚氯乙烯复合材料片中间堆叠一块硅藻土/聚氨酯复合材料片形成的“三明治”形层状结构，所述软硬交替层状降噪高分子材料的各原料组分按重量份数计为：聚氯乙烯树脂100份、稳定剂1～3份、氧化石墨0.5～2.0份、聚氨酯树脂100份、增塑剂15～30份、发泡剂3～5份、发泡促进剂0.5～1份、硅藻土5～20份。
上述方案中，所述稳定剂为硫醇甲基锡，所述增塑剂为磷酸三甲酚酯，所述发泡剂为偶氮二甲酰胺，所述发泡促进剂为氧化锌。
上述软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨粉末超声分散在四氢呋喃溶剂中形成氧化石墨烯溶液，然后加入聚氯乙烯树脂，加热至反应温度后，恒温搅拌条件下加入乙二胺溶液进行加热回流反应，反应结束后，自然冷却，加水絮凝出料，烘干，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料粉体，然后采用熔融共混法将石墨烯/聚氯乙烯复合材料粉体开练出薄通，再将薄通置于模具中模压成片后，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料片；
(2)将聚氨酯树脂、增塑剂、发泡剂、发泡促进剂置于高速混合机中混合一定时间，再加入硅藻土，继续混合至均匀，取出混合均匀的物料进行熔融密练，密练后的物料经开练成片、模压成片后得到硅藻土/聚氨酯复合材料片；
(3)取步骤(1)所得石墨烯/聚氯乙烯复合材料片两块，在两块石墨烯/聚氯乙烯复合材料片中间堆叠一块步骤(2)所得硅藻土/聚氨酯复合材料片，形成“三明治”形层状结构，最后将“三明治”形层状结构放入平板式热压机中模压成片，得到软硬交替层状降噪高分子材料。
上述方案中，步骤(1)中所述加热回流反应的温度为80～100℃，时间为6～8h。
上述方案中，步骤(1)中所述熔融共混法开练出薄通的温度为160～180℃。
上述方案中，步骤(1)中所述模压成片的温度为160～180℃，模压为5～10MPa，时间为5～10。
上述方案中，步骤(2)中所述熔融密练的温度为100～130℃。
上述方案中，步骤(2)中所述开练成片的温度为90～110℃。
上述方案中，步骤(2)所述模压成片的温度为100～130℃，模压为3～5MPa，时间为5～10分钟。
上述方案中，步骤(3)中所述模压成片的温度为140～160℃，模压为5～10MPa，时间为3～5分钟。
本发明的原理为：氧化石墨粉末在四氢呋喃溶剂中超声之后将形成氧化石墨烯溶液，聚氯乙烯树脂溶于四氢呋喃中后加入乙二胺作为还原剂，加热反应下可将氧化石墨烯还原成石墨烯，并对石墨烯进行了一番化学修饰，使其可在聚氯乙烯树脂基体中均匀的分散，达到增强材料性能的目地，复合材料的模量和面密度增大之后，其刚性也会增大，材料的隔音量也会相应增大。聚氨酯与发泡剂、发泡促进剂在热压时会得到聚氨酯泡沫片材，而硅藻土/聚氨酯发泡结构中含有大量的孔洞结构，当声波来临时经过这些孔洞时会发生吸收或耗散的效果，从而降低了噪音，将二者结合起来制得三层板式结构将会互相补充，增大声波在材料介质内的反射、折射等，从而耗散掉声波能量，达到降噪的目的。
本发明的有益效果：石墨烯具有优异的力学性能，是目前最硬的材料，其特殊的单层结构可阻隔声波的传递，将石墨烯与聚氯乙烯复合可制备模量较大的隔音材料，而硅藻土/聚氨酯发泡材料可利用其泡孔结构来增大声波能量的耗散，这种“三明治”状层合结构也有利于声波的反射、折射，从而达到耗散声波能量，降噪的效果。
附图说明
图1是本发明实施例1、2、3、4所制备的氧化石墨烯结构示意图。
图2是本发明实施例1、2、3、4所制备的复合材料层状结构示意图。
图3是本发明实施例1、2、3、4所制备的高分子材料的降噪性能测试结果。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种软硬交替层状降噪高分子材料，其组成及重量份数分别为：聚氯乙烯树脂100份、稳定剂(硫醇甲基锡)3份、氧化石墨粉末2.0份、聚氨酯树脂100份、增塑剂(磷酸三甲酚酯)30份、发泡剂(偶氮二甲酰胺)5份、发泡促进剂(氧化锌)1份、硅藻土5份。
上述软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨粉末超声分散在四氢呋喃溶剂中，1小时后再加入聚氯乙烯树脂，3小时后加热至90℃恒温搅拌，加入乙二胺溶液，回流8小时后停止加热反应，自然冷却后加水絮凝出料，80℃烘干，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料粉体，采取熔融共混法在160～180℃的橡塑开炼机将复合材料粉体进行开练出薄通，然后将薄通置于模具中，利用平板式热压机在180℃下模压成片，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料片；
(2)将聚氨酯树脂、增塑剂、发泡剂、发泡促进剂放入高速混合机中混合15～30分钟，再将硅藻土加入其中，继续混合15～30分钟，取出混合均匀的物料，用密炼机在100～130℃下对物料进行熔融密练，再将密练后的物料用橡塑开炼机在100℃下开练成片，最后将片材放入100～130℃的平板式热压机中用5MPa模压5～10分钟，冷却至室温后取出材料，得到硅藻土/聚氨酯复合材料片；
(3)上述制得的两种材料，取石墨烯/聚氯乙烯复合材料片两块，在其中间堆叠硅藻土/聚氨酯复合材料片一块，形成“三明治”状层合结构，最后放入140～160℃的平板式热压机中用5～10MPa模压5分钟，冷却至室温后取出三层板式材料。
实施例2
一种软硬交替层状降噪高分子材料，其组成及重量份数分别为：聚氯乙烯树脂100份、稳定剂(硫醇甲基锡)3份、氧化石墨粉末2.0份、聚氨酯树脂100份、增塑剂(磷酸三甲酚酯)30份、发泡剂(偶氮二甲酰胺)5份、发泡促进剂(氧化锌)1份、硅藻土10份。
上述软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨粉末超声分散在四氢呋喃溶剂中，1小时后再加入聚氯乙烯树脂，3小时后加热至90℃恒温搅拌，加入乙二胺溶液，回流8小时后停止加热反应，自然冷却后加水絮凝出料，80℃烘干，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料粉体，采取熔融共混法在160～180℃的橡塑开炼机将复合材料粉体进行开练出薄通，然后将薄通置于模具中，利用平板式热压机在180℃下模压成片，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料片；
(2)将聚氨酯树脂、增塑剂、发泡剂、发泡促进剂放入高速混合机中混合15～30分钟，再将硅藻土加入其中，继续混合15～30分钟，取出混合均匀的物料，用密炼机在100～130℃下对物料进行熔融密练，再将密练后的物料用橡塑开炼机在100℃下开练成片，最后将片材放入100～130℃的平板式热压机中用5MPa模压5～10分钟，冷却至室温后取出材料，得到硅藻土/聚氨酯复合材料片；
(3)上述制得的两种材料，取石墨烯/聚氯乙烯复合材料片两块，在其中间堆叠硅藻土/聚氨酯复合材料片一块，形成“三明治”状层合结构，最后放入140～160℃的平板式热压机中用5～10MPa模压5分钟，冷却至室温后取出三层板式材料。
实施例3
一种软硬交替层状降噪高分子材料，其组成及重量份数分别为：聚氯乙烯树脂100份、稳定剂(硫醇甲基锡)3份、氧化石墨粉末2.0份、聚氨酯树脂100份、增塑剂(磷酸三甲酚酯)30份、发泡剂(偶氮二甲酰胺)5份、发泡促进剂(氧化锌)1份、硅藻土15份。
上述软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨粉末超声分散在四氢呋喃溶剂中，1小时后再加入聚氯乙烯树脂，3小时后加热至90℃恒温搅拌，加入乙二胺溶液，回流8小时后停止加热反应，自然冷却后加水絮凝出料，80℃烘干，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料粉体，采取熔融共混法在160～180℃的橡塑开炼机将复合材料粉体进行开练出薄通，然后将薄通置于模具中，利用平板式热压机在180℃下模压成片，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料片；
(2)将聚氨酯树脂、增塑剂、发泡剂、发泡促进剂放入高速混合机中混合15～30分钟，再将硅藻土加入其中，继续混合15～30分钟，取出混合均匀的物料，用密炼机在100～130℃下对物料进行熔融密练，再将密练后的物料用橡塑开炼机在100℃下开练成片，最后将片材放入100～130℃的平板式热压机中用5MPa模压5～10分钟，冷却至室温后取出材料，得到硅藻土/聚氨酯复合材料片；
(3)上述制得的两种材料，取石墨烯/聚氯乙烯复合材料片两块，在其中间堆叠硅藻土/聚氨酯复合材料片一块，形成“三明治”状层合结构，最后放入140～160℃的平板式热压机中用5～10MPa模压5分钟，冷却至室温后取出三层板式材料。
实施例4
一种软硬交替层状降噪高分子材料，其组成及重量份数分别为：聚氯乙烯树脂100份、稳定剂(硫醇甲基锡)3份、氧化石墨粉末2.0份、聚氨酯树脂100份、增塑剂(磷酸三甲酚酯)30份、发泡剂(偶氮二甲酰胺)5份、发泡促进剂(氧化锌)1份、硅藻土20份。
上述软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨粉末超声分散在四氢呋喃溶剂中，1小时后再加入聚氯乙烯树脂，3小时后加热至90℃恒温搅拌，加入乙二胺溶液，回流8小时后停止加热反应，自然冷却后加水絮凝出料，80℃烘干，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料粉体，采取熔融共混法在160～180℃的橡塑开炼机将复合材料粉体进行开练出薄通，然后将薄通置于模具中，利用平板式热压机在180℃下模压成片，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料片。
(2)将聚氨酯树脂、增塑剂、发泡剂、发泡促进剂放入高速混合机中混合15～30分钟，再将硅藻土加入其中，继续混合15～30分钟，取出混合均匀的物料，用密炼机在100～130℃下对物料进行熔融密练，再将密练后的物料用橡塑开炼机在100℃下开练成片，最后将片材放入100～130℃的平板式热压机中用5MPa模压5～10分钟，冷却至室温后取出材料，得到硅藻土/聚氨酯复合材料片；
(3)上述制得的两种材料，取石墨烯/聚氯乙烯复合材料片材两块，在其中间堆叠硅藻土/聚氨酯复合材料片材一块，形成“三明治”状层合结构，最后放入140～160℃的平板式热压机中用5～10MPa模压5分钟，冷却至室温后取出三层板式材料。
本发明实施例1、2、3、4所制备的复合材料层状结构示意图如图2所示，包括上下两层的“石墨烯/聚氯乙烯复合材料层”和中间的“硅藻土/聚氨酯复合材料层”，其中硅藻土/聚氨酯复合材料层中含有大量的孔洞结构，当声波经过这些孔洞时会发生吸收或耗散的效果，增大声波能量的耗散，将两层的“石墨烯/聚氯乙烯复合材料层”和中间的“硅藻土/聚氨酯复合材料层”结合起来制得三层板式结构，将会互相补充，增大声波在材料介质内的反射、折射等，从而耗散掉声波能量，达到降噪的目的。
对本实施例1～4制备的软硬交替层状降噪高分子材料进行降噪性能测试，测试仪器为声阻抗管，测试结果如图3所示，从图3可以看出：在三层结构材料的发泡层中加入一定量的硅藻土有利于复合材料声传损耗的增大，随着硅藻土含量的增大，复合材料中的孔隙率进而增大，发泡层体系中既有发泡剂化学发泡产生的大泡孔，也存在所加填料硅藻土带来的微小孔洞，这种多孔径通道结构吸收进入材料构件的声波，减少声波能量的透射。中低频率声波在材料构件中的声传损耗值先增大后减小，在较高声波频率下声传损耗又逐渐增大，存在一“波谷”，这是由于到达了复合材料的共振频率，其声传损耗此时达到最小值。从总的降噪效果来看，在发泡层加入一定量的硅藻土可使层状降噪材料发挥较好的效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种软硬交替层状降噪高分子材料，其特征在于，所述软硬交替层状降噪高分子材料是由两块石墨烯/聚氯乙烯复合材料片中间堆叠一块硅藻土/聚氨酯复合材料片形成的“三明治”形层状结构，所述软硬交替层状降噪高分子材料的各原料组分按重量份数计为：聚氯乙烯树脂100份、稳定剂1~3份、氧化石墨0.5~2.0份、聚氨酯树脂100份、增塑剂15~30份、发泡剂3~5份、发泡促进剂0.5~1份、硅藻土5~20份。
2.根据权利要求1所述的软硬交替层状降噪高分子材料，其特征在于，所述稳定剂为硫醇甲基锡，所述增塑剂为磷酸三甲酚酯，所述发泡剂为偶氮二甲酰胺，所述发泡促进剂为氧化锌。
3.权利要求1~2任一所述软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将氧化石墨粉末超声分散在四氢呋喃溶剂中形成氧化石墨烯溶液，然后加入聚氯乙烯树脂，加热至反应温度后，恒温搅拌条件下加入乙二胺溶液进行加热回流反应，反应结束后，自然冷却，加水絮凝出料，烘干，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料粉体，然后采用熔融共混法将石墨烯/聚氯乙烯复合材料粉体开练出薄通，再将薄通置于模具中模压成片后，得到石墨烯/聚氯乙烯复合材料片；
（2）将聚氨酯树脂、增塑剂、发泡剂、发泡促进剂置于高速混合机中混合一定时间，再加入硅藻土，继续混合至均匀，取出混合均匀的物料进行熔融密练，密练后的物料经开练成片、模压成片后得到硅藻土/聚氨酯复合材料片；
（3）取步骤（1）所得石墨烯/聚氯乙烯复合材料片两块，在两块石墨烯/聚氯乙烯复合材料片中间堆叠一块步骤（2）所得硅藻土/聚氨酯复合材料片，形成“三明治”形层状结构，最后将“三明治”形层状结构放入平板式热压机中模压成片，得到软硬交替层状降噪高分子材料。
4.根据权利要求1所述的软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述加热回流反应的温度为80~100℃，时间为6~8h。
5.根据权利要求1所述的软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述熔融共混法开练出薄通的温度为160~180℃。
6.根据权利要求1所述的软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述模压成片的温度为160~180℃，模压压力为15~20MPa，时间为5~10min。
7.根据权利要求1所述的软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述熔融密练的温度为100~130℃。
8.根据权利要求1所述的软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述开练成片的温度为90~110℃。
9.根据权利要求1所述的软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述模压成片的温度为100~130℃，模压为3~5MPa，时间为5~10分钟。
10.根据权利要求1所述的软硬交替层状降噪高分子材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述模压成片的温度为140~160℃，模压为5~10MPa，时间为3~5分钟。
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