RGO/PVC隔声性能研究

徐 稳，朱雯雯，彭子童，姚 楚，江学良

(武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430205)

近年来，我国很多城市都在进行城市基础设施建设，如地铁、高架桥等[1]，交通运输和工程建设所产生的噪音对居民的生活、工作和日常活动造成了诸多不便[2]，噪音污染已成为目前被广泛关注和亟待解决的重大难题。隔声材料是指用材料来构成隔声结构，以用于减弱或隔绝空气传播中的声波。目前常见的隔音材料主要有隔音棉[3]、隔音板[4]、隔音毯[5]、纯金属隔声屏障[6]、耐力板(PC)全透明隔声屏障[7]、全钢化玻璃隔声屏障、高强水泥隔声屏障等。隔音材料一般都遵循“质量定律”，通常都会选择致密、质量大的材料[8]，如混凝土结构等无机材料和钢等金属材料，其主要是通过材料本身较大的惯性声阻来降低声波的透射，质量定律构件看作是均匀的单层、致密的刚性材料，在构件受到声波的冲击时，构件的面密度、入射声波的声压和频率决定了其振幅，而构件的隔声量取决于面密度和声波频率[9]。在频率相同的情况下，材料的面密度越大，其声传递的损耗就越大。指定厚度单位面积的物质的质量称为材料的面密度，其可以用刚性劲度来衡量。对高分子材料进行改性可以通过增大其刚性或面密度来达到隔声的效果[10]。

由于金属材料、隔音毯等隔音材料有成本高、水泥等无机隔音材料质量大、使用隔音棉时会有很多飞絮、危害工人健康等问题，本文以RGO为填料、聚氯乙烯为基体制备隔音复合材料，探究了RGO质量分数对复合材料吸声性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验药品

石墨粉、ω(浓硫酸)98%(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、高锰酸钾(KMnO4)、ω(盐酸)5%、无水乙醇(CH3CH2OH)、ω(过氧化氢)30%(H2O2)、四氢呋喃(THF)等均为分析纯，国药集团；聚氯乙烯(PVC)，建汉5761，武汉葛化集团树脂总厂。

1.2 氧化石墨的制备

采用改进的Hummers法合成氧化石墨，在冰水浴的情况下，将240 mL浓硫酸、27 mL磷酸、2 g鳞片石墨加入500 mL三口圆底烧瓶中，保持冰浴温度在0～5℃，搅拌下反应1h后，缓慢加入12 g高锰酸钾，继续保持反应温度<10℃，不停搅拌，8h后，撤下冰袋，将反应进行水浴加热，反应温度缓慢升至50℃，并持续搅拌10 h后撤去水浴，待反应物自然冷却至室温后，将反应烧瓶内溶液倒入盛有10 mLω(过氧化氢)30%的冰水中不停搅拌，混合液由棕色变为亮黄色。对混合液静置沉淀处理，自然放置24h后，混合液体系统最终会产生分层，上层清液，下层为亮黄色沉淀。将沉淀物依次用去离子水、ω(盐酸)5%和无水乙醇在8 000 r/min下离心洗涤(水洗3次，酸洗3次，醇洗3次)，最后将其转移到培养皿冻干，研磨后备用。

1.3 还原氧化石墨烯/聚氯乙烯复合材料的制备

称取1.6 g所制备的氧化石墨烯干粉加入到2 L三口烧瓶中，再往瓶中加入1 600 mL四氢呋喃(THF)溶剂，将烧瓶放在超声清洗机中超声分散30 min后，形成均匀的氧化石墨烯分散液。然后加入一定量的聚氯乙烯(PVC)粉料，不停搅拌至完全溶解。45 min后加入16 mL乙二胺溶液，反应8 h后，加入去离子水絮凝，接着利用真空抽滤得到还原氧化石墨烯/聚氯乙烯复合粉末，最后将产物放入55℃真空干燥箱中烘干。将所得还原氧化石墨烯/聚氯乙烯复合材料在热压机上进行模压成型，成型温度为180℃、压力为15 MPa、时间为15 min。

1.4 测试与表征

用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet 6700，美国 ThermoElectron)对样品进行测试，测试之前将样品在60℃充分真空干燥，取一定量试样和纯溴化钾研细混匀，置于模具中，在压力为10 MPa下保压2 min后压成薄片，进行测试；采用热重分析仪(TGA)(德国NETZSCH，STA409 PC)对氧化石墨烯和还原氧化石墨烯进行表征，TGA测试是在N2气氛下，以10℃ /min的速度从40℃升至800℃，得到相应的热失重曲线；用动态热机械分析仪(TA仪器公司，Q800，美国) 测试样品的动态力学性能，升温速率为3 ℃ /min，频率为1 Hz；利用北京声望声电技术公司SW-477声阻抗管对还原氧化石墨烯/聚氯乙烯复合材料样品的隔声性能进行测试，测试范围为800～6 000 Hz。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱(FT-IR)分析

图1是GO和RGO的 FT-IR 光谱图。从图中可以看出，在GO的FT-IR谱图中，3 350 cm-1处为-OH伸缩振动吸收峰，1 735 cm-1处为C=O的伸缩振动峰，1 620 cm-1处为芳环碳骨架的伸缩振动峰，1 220 cm-1处为氧官能团的伸缩振动峰，1 050 cm-1处为C-O的伸缩振动峰。经过热处理后，3 440 cm-1和 1 050 cm-1处的峰强度大幅降低仍然存在，但1 735 cm-1处C=O的伸缩振动峰及1 220 cm-1处环氧官能团的伸缩振动峰完全消失，这表明对应的官能团在热处理后被除去，GO被还原成RGO。

图1 FT-IR光谱图注：a-GO；b-RGO

2.2 热重(TGA)分析

图2是GO和RGO的TGA曲线图。由图2可知，在60～100℃，GO和RGO的曲线都有轻微的下降，这可能是由于GO和RGO的样品并未完全干燥，升温后水分蒸发导致质量减少。在接近200℃时，GO的热重曲线呈直线下降，而RGO的热重曲线较为平缓，表明GO在这一温度开始发生反应。GO有很多含氧基团，当温度升高时，含氧官能团会热解为二氧化碳和水蒸气逸散，导致质量下降。曲线下降趋势十分明显，说明GO的还原过程较为彻底。

图2 TGA分析图注：a-GO；b-RGO

2.3 动态热机械(DMA)分析

图3为不同质量分数RGO对复合材料损耗角的影响，由图3可知，随着填料含量的增加，复合材料的玻璃化转变温度逐渐变大；纯PVC的玻璃化转变温度为80～85℃，而填料质量分数为2%的RGO/PVC复合材料的玻璃化转变温度提高到100℃以上。Tan δ的增大表明，RGO/PVC的热稳定性也增大。填料质量分数为1%的复合材料的Tan δ值最大，这可能是由于石墨烯的分散性较好；而2%的可能会发生团聚而使Tan δ的值下降。填料质量分数为2%的复合材料的玻璃化转变温度变为最大，这是因为此时石墨烯虽然团聚，但却依然提高了材料的刚性。

图3 不同质量分数RGO对复合材料损耗角的影响

2.4 声阻抗管隔声测试

图4为不同质量分数RGO对复合材料隔声性能的影响，从图中可知，随着频率的升高，每一种材料的隔声系数都增大。在1 000 Hz时，纯PVC的隔声系数为19.3 dB；在7 000 Hz时，提高到35.2 dB。随着填料质量分数的增加，其隔声的效果也变好；在1 000 Hz时，纯PVC的隔声系数为19.3 dB，填料质量分数为2%，隔声系数为21.4 dB，提高了2.1 dB；这表明，填料石墨烯的确提高了复合材料的刚性，从而使其隔声系数增大。虽然，质量分数为1%的模量是最大的，但隔声效果仍然是质量分数为2%的较好，这是因为2%的虽然会发生团聚，但仍增加了材料的面密度或刚性。

图4 不同质量分数RGO对复合材料隔声性能的影响

3 结论

本文采用溶液共混法成功制备了还原氧化石墨烯与聚氯乙烯的复合材料，并研究了不同质量分数还原氧化石墨烯对复合材料隔声性能的影响，随着还原氧化石墨烯质量分数的增加，复合材料隔声效果越来越好，其中，质量分数为2%时的隔声效果最好，达到了21.4 dB。