RGO/PVC隔聲性能研究

徐 穩(wěn)，朱雯雯，彭子童，姚 楚，江學(xué)良

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

近年來(lái)，我國(guó)很多城市都在進(jìn)行城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如地鐵、高架橋等[1]，交通運(yùn)輸和工程建設(shè)所產(chǎn)生的噪音對(duì)居民的生活、工作和日常活動(dòng)造成了諸多不便[2]，噪音污染已成為目前被廣泛關(guān)注和亟待解決的重大難題。隔聲材料是指用材料來(lái)構(gòu)成隔聲結(jié)構(gòu)，以用于減弱或隔絕空氣傳播中的聲波。目前常見(jiàn)的隔音材料主要有隔音棉[3]、隔音板[4]、隔音毯[5]、純金屬隔聲屏障[6]、耐力板(PC)全透明隔聲屏障[7]、全鋼化玻璃隔聲屏障、高強(qiáng)水泥隔聲屏障等。隔音材料一般都遵循“質(zhì)量定律”，通常都會(huì)選擇致密、質(zhì)量大的材料[8]，如混凝土結(jié)構(gòu)等無(wú)機(jī)材料和鋼等金屬材料，其主要是通過(guò)材料本身較大的慣性聲阻來(lái)降低聲波的透射，質(zhì)量定律構(gòu)件看作是均勻的單層、致密的剛性材料，在構(gòu)件受到聲波的沖擊時(shí)，構(gòu)件的面密度、入射聲波的聲壓和頻率決定了其振幅，而構(gòu)件的隔聲量取決于面密度和聲波頻率[9]。在頻率相同的情況下，材料的面密度越大，其聲傳遞的損耗就越大。指定厚度單位面積的物質(zhì)的質(zhì)量稱(chēng)為材料的面密度，其可以用剛性勁度來(lái)衡量。對(duì)高分子材料進(jìn)行改性可以通過(guò)增大其剛性或面密度來(lái)達(dá)到隔聲的效果[10]。

由于金屬材料、隔音毯等隔音材料有成本高、水泥等無(wú)機(jī)隔音材料質(zhì)量大、使用隔音棉時(shí)會(huì)有很多飛絮、危害工人健康等問(wèn)題，本文以RGO為填料、聚氯乙烯為基體制備隔音復(fù)合材料，探究了RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料吸聲性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

石墨粉、ω(濃硫酸)98%(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、高錳酸鉀(KMnO4)、ω(鹽酸)5%、無(wú)水乙醇(CH3CH2OH)、ω(過(guò)氧化氫)30%(H2O2)、四氫呋喃(THF)等均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)；聚氯乙烯(PVC)，建漢5761，武漢葛化集團(tuán)樹(shù)脂總廠。

1.2 氧化石墨的制備

采用改進(jìn)的Hummers法合成氧化石墨，在冰水浴的情況下，將240 mL濃硫酸、27 mL磷酸、2 g鱗片石墨加入500 mL三口圓底燒瓶中，保持冰浴溫度在0～5℃，攪拌下反應(yīng)1h后，緩慢加入12 g高錳酸鉀，繼續(xù)保持反應(yīng)溫度<10℃，不停攪拌，8h后，撤下冰袋，將反應(yīng)進(jìn)行水浴加熱，反應(yīng)溫度緩慢升至50℃，并持續(xù)攪拌10 h后撤去水浴，待反應(yīng)物自然冷卻至室溫后，將反應(yīng)燒瓶?jī)?nèi)溶液倒入盛有10 mLω(過(guò)氧化氫)30%的冰水中不停攪拌，混合液由棕色變?yōu)榱咙S色。對(duì)混合液靜置沉淀處理，自然放置24h后，混合液體系統(tǒng)最終會(huì)產(chǎn)生分層，上層清液，下層為亮黃色沉淀。將沉淀物依次用去離子水、ω(鹽酸)5%和無(wú)水乙醇在8 000 r/min下離心洗滌(水洗3次，酸洗3次，醇洗3次)，最后將其轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿凍干，研磨后備用。

1.3 還原氧化石墨烯/聚氯乙烯復(fù)合材料的制備

稱(chēng)取1.6 g所制備的氧化石墨烯干粉加入到2 L三口燒瓶中，再往瓶中加入1 600 mL四氫呋喃(THF)溶劑，將燒瓶放在超聲清洗機(jī)中超聲分散30 min后，形成均勻的氧化石墨烯分散液。然后加入一定量的聚氯乙烯(PVC)粉料，不停攪拌至完全溶解。45 min后加入16 mL乙二胺溶液，反應(yīng)8 h后，加入去離子水絮凝，接著利用真空抽濾得到還原氧化石墨烯/聚氯乙烯復(fù)合粉末，最后將產(chǎn)物放入55℃真空干燥箱中烘干。將所得還原氧化石墨烯/聚氯乙烯復(fù)合材料在熱壓機(jī)上進(jìn)行模壓成型，成型溫度為180℃、壓力為15 MPa、時(shí)間為15 min。

1.4 測(cè)試與表征

用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet 6700，美國(guó) ThermoElectron)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試之前將樣品在60℃充分真空干燥，取一定量試樣和純溴化鉀研細(xì)混勻，置于模具中，在壓力為10 MPa下保壓2 min后壓成薄片，進(jìn)行測(cè)試；采用熱重分析儀(TGA)(德國(guó)NETZSCH，STA409 PC)對(duì)氧化石墨烯和還原氧化石墨烯進(jìn)行表征，TGA測(cè)試是在N2氣氛下，以10℃ /min的速度從40℃升至800℃，得到相應(yīng)的熱失重曲線；用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(TA儀器公司，Q800，美國(guó)) 測(cè)試樣品的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，升溫速率為3 ℃ /min，頻率為1 Hz；利用北京聲望聲電技術(shù)公司SW-477聲阻抗管對(duì)還原氧化石墨烯/聚氯乙烯復(fù)合材料樣品的隔聲性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試范圍為800～6 000 Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜(FT-IR)分析

圖1是GO和RGO的 FT-IR 光譜圖。從圖中可以看出，在GO的FT-IR譜圖中，3 350 cm-1處為-OH伸縮振動(dòng)吸收峰，1 735 cm-1處為C=O的伸縮振動(dòng)峰，1 620 cm-1處為芳環(huán)碳骨架的伸縮振動(dòng)峰，1 220 cm-1處為氧官能團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰，1 050 cm-1處為C-O的伸縮振動(dòng)峰。經(jīng)過(guò)熱處理后，3 440 cm-1和 1 050 cm-1處的峰強(qiáng)度大幅降低仍然存在，但1 735 cm-1處C=O的伸縮振動(dòng)峰及1 220 cm-1處環(huán)氧官能團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰完全消失，這表明對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)在熱處理后被除去，GO被還原成RGO。

圖1 FT-IR光譜圖注：a-GO；b-RGO

2.2 熱重(TGA)分析

圖2是GO和RGO的TGA曲線圖。由圖2可知，在60～100℃，GO和RGO的曲線都有輕微的下降，這可能是由于GO和RGO的樣品并未完全干燥，升溫后水分蒸發(fā)導(dǎo)致質(zhì)量減少。在接近200℃時(shí)，GO的熱重曲線呈直線下降，而RGO的熱重曲線較為平緩，表明GO在這一溫度開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)。GO有很多含氧基團(tuán)，當(dāng)溫度升高時(shí)，含氧官能團(tuán)會(huì)熱解為二氧化碳和水蒸氣逸散，導(dǎo)致質(zhì)量下降。曲線下降趨勢(shì)十分明顯，說(shuō)明GO的還原過(guò)程較為徹底。

圖2 TGA分析圖注：a-GO；b-RGO

2.3 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械(DMA)分析

圖3為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)RGO對(duì)復(fù)合材料損耗角的影響，由圖3可知，隨著填料含量的增加，復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸變大；純PVC的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為80～85℃，而填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的RGO/PVC復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高到100℃以上。Tan δ的增大表明，RGO/PVC的熱穩(wěn)定性也增大。填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)合材料的Tan δ值最大，這可能是由于石墨烯的分散性較好；而2%的可能會(huì)發(fā)生團(tuán)聚而使Tan δ的值下降。填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變?yōu)樽畲螅@是因?yàn)榇藭r(shí)石墨烯雖然團(tuán)聚，但卻依然提高了材料的剛性。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)RGO對(duì)復(fù)合材料損耗角的影響

2.4 聲阻抗管隔聲測(cè)試

圖4為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)RGO對(duì)復(fù)合材料隔聲性能的影響，從圖中可知，隨著頻率的升高，每一種材料的隔聲系數(shù)都增大。在1 000 Hz時(shí)，純PVC的隔聲系數(shù)為19.3 dB；在7 000 Hz時(shí)，提高到35.2 dB。隨著填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其隔聲的效果也變好；在1 000 Hz時(shí)，純PVC的隔聲系數(shù)為19.3 dB，填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，隔聲系數(shù)為21.4 dB，提高了2.1 dB；這表明，填料石墨烯的確提高了復(fù)合材料的剛性，從而使其隔聲系數(shù)增大。雖然，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的模量是最大的，但隔聲效果仍然是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的較好，這是因?yàn)?%的雖然會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，但仍增加了材料的面密度或剛性。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)RGO對(duì)復(fù)合材料隔聲性能的影響

3 結(jié)論

本文采用溶液共混法成功制備了還原氧化石墨烯與聚氯乙烯的復(fù)合材料，并研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)還原氧化石墨烯對(duì)復(fù)合材料隔聲性能的影響，隨著還原氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料隔聲效果越來(lái)越好，其中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)的隔聲效果最好，達(dá)到了21.4 dB。