一种聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于先进复合材料领域，特别涉及一种聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料及制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，随着信息技术与制造业的深度融合，越来越多的智能化设备走进人们的生活，而这些智能机械设备在方便人们生活的同时，也产生了更多种类的噪声，比如空调噪声，汽车行驶噪声和扫地机器人噪声等；不仅如此，随着人们生活质量的不断提高，对文化和艺术的需求也在不断增大，越来越多的人们在休闲时会选择去图书馆、话剧院、音乐厅等。在这些场景中，为了提高人们的听觉体验，改善声学环境，人们对声学材料的吸声性能提出了更高的要求。吸声材料指的是一种在声音传播过程中进行噪声阻断的材料，旨在吸收声音，减少声音在空间内部的反射以及在空间外部的传播。所以吸声材料一般用于空间内部，控制声音的混响，消除回声、吸收噪声。
3.目前，针对城市生活噪声，市面上的涌现出很多多孔吸声材料。多孔吸声材料的吸声机理是通过粘滞性、热效应以及材料阻尼，从而将声能转化为热能耗散掉。比较常见的多孔吸声材料有聚氨酯泡沫，三聚氰胺泡沫，聚苯乙烯泡沫以及聚丙烯泡沫等。这些泡沫成本低廉、加工容易，但在宽频带吸声方面存在缺陷，且通常为了达到预期的吸声效果，只能选择增加材料的厚度；不仅如此，现有的多孔吸声材料在抗老化以及阻燃性能方面也具有一定的不足，作为建筑材料来讲，存在一定的安全隐患。
4.聚偏氟乙烯(pvdf)是一种具有良好耐磨性、耐候性、耐腐蚀性的氟树脂，同时pvdf还具有极好的阻燃性，满足作为建筑材料的要求。不仅如此，由于pvdf基体具有独特的压电性，在传统的声热转化基础上还可以实现声电转化，将声能转化为电能；泡沫中互相连通的泡孔使得声波在材料内多次反射，有利于声能转化为热能；纤维类的填料增加了泡沫材料内部的弯曲度，有利于低频段吸声性能的提升；泡沫孔壁上的小洞，还为声能的耗散提供了有利条件。所以，应用在声学材料领域的聚偏氟乙烯复合泡沫值得探索。然而，目前并没有与之相关的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料及制备方法的专利发布。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料的制备方法。
6.本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料；该材料厚度轻薄、孔径大小均匀、填料分散均一、泡孔相互连通且泡沫孔壁有洞的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料及制备方法，利用该复合材料在10mm厚度下还能实现良好的宽频带吸声的特点，进而满足人们对于复杂声学环境的吸声要求。
7.本发明的再一目的在于提供一种上述聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料的应用。
8.本发明的目的通过下述技术方案实现：
9.一种聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料的制备方法，包括以下操作步骤：
10.(1)将聚偏氟乙烯粉作为原料，溶解在有机溶剂中，在温度50-80℃下充分搅拌0.5-2h，得到聚偏氟乙烯溶液；
11.(2)将纤维材料分散在有机溶剂中，超声0.5-2h，得到分散均匀的纤维材料溶液，将纤维材料溶液加入到步骤(1)所得聚偏氟乙烯溶液中，在温度50-80℃下充分搅拌0.5-2h，得到混合溶液；
12.(3)将白砂糖加入步骤(2)所得混合溶液中，在温度50-80℃下充分搅拌0.5-2h，得到混合体系；
13.(4)停止搅拌，向步骤(3)所得混合体系中加入凝固浴，重复更换凝固浴，水洗，干燥后制得聚偏氟乙烯复合泡沫；
14.(5)将步骤(4)所得聚偏氟乙烯复合泡沫上下的致密皮肤层切去，得到聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料。
15.步骤(1)所述的聚偏氟乙烯粉为mw＝600000、型号为kynar761的聚偏氟乙烯粉，和mw＝800000、型号为kynar hsv 900的聚偏氟乙烯粉中的一种或两种。
16.步骤(1)和步骤(2)中所述的有机溶剂均为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n,n-二甲基乙酰胺(dmac)和丙酮的一种或两种。
17.步骤(1)所述的聚偏氟乙烯粉和步骤(2)所述的纤维材料的质量比为50:1-300:1；步骤(1)所述的聚偏氟乙烯粉和步骤(3)所述的白砂糖的质量比为1:11-1:5。
18.步骤(2)所述的纤维材料为碳纳米管(cnt)、纳米纤维素(cnf)和玻璃纤维中的一种或多种。
19.步骤(3)所述的白砂糖为市售白砂糖。
20.步骤(4)所述的凝固浴为水、醇类溶剂、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)和n,n-二甲基乙酰胺(dmac)中的一种或几种。
21.步骤(5)所述的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料厚度为10mm。
22.步骤(1)～(3)所述的搅拌速率均为500rpm。
23.一种由上述的方法制备得到聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料，聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料厚度为10mm，在1000-6400hz频率范围内吸声系数α均大于0.2，1800-6400hz频率范围内吸声系数α均大于0.5。
24.由上述方法制备的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料，可以对现代生活中的建筑噪声、音频噪声以及交通噪声进行有效的吸收，控制噪声的传播、减少噪声给人们生活和健康带来的困扰。此外，宽频吸声材料的研究在军事领域也有重要的应用价值。比如如何消除潜艇引擎发出的声音，从而避免被敌方的声呐探测到。
25.本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
26.(1)本发明的制备方法条件简单、方法新颖，可以在80℃以下实现聚偏氟乙烯复合材料的发泡，填补了非溶剂致相分离法结合颗粒浸出法发泡的技术空白。
27.(2)本发明提供了一种泡孔结构精准可控发泡方法，制备出的聚偏氟乙烯复合泡沫孔径大小均匀、填料分散均一、泡孔相互连通且泡沫孔壁有洞。
28.(3)本发明制备的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料具有宽频带吸声的性能，且在厚度仅为10mm时，在1000-6400hz频率范围内吸声系数α均大于0.2，1800-6400hz频率范围内
吸声系数α均大于0.5，优异的吸声性能可满足不同声学环境的吸声要求。
附图说明
29.图1为聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图；
30.图2为实施例5制备的聚偏氟乙烯复合泡沫5孔壁的扫描电镜图；
31.图3为实施例8制备的聚偏氟乙烯复合泡沫8的扫描电镜图；
32.图4为实施例9制备的聚偏氟乙烯复合泡沫9的照片；
33.图5为实施例10制备的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料10的吸声系数与频率关系曲线。
具体实施方式
34.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此本发明的具体实施方式中，涉及了非溶剂致相分离(nips)法固化基体以及结合颗粒浸出法物理发泡。nips法是利用有机溶剂与凝固浴进行溶剂、非溶剂传质交换，形成以聚合物为连续相、溶剂为分散相的两相结构，从而固化基体材料，同时形成泡沫孔壁上的小孔；颗粒浸出法是将形状可控、价廉易得的市售白砂糖作为成孔剂，通过共混的方法将成孔剂加入混合溶液形成混合体系，最后将成孔剂洗出，即可得到发泡均匀、泡孔相互连通的多孔材料。
35.实施例中所涉及到的聚偏氟乙烯粉均购于法国arkema公司。
36.实施例1
37.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar hsv 900,mw＝800 000)溶于n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中，50℃搅拌2h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.01g碳纳米管(cnt)分散于丙酮中，超声0.5h，所得cnt/丙酮分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，50℃充分搅拌1h，得到混合溶液。将15g市售白砂糖加入混合溶液中，50℃继续搅拌1h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫1。
38.实施例2
39.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar hsv 900,mw＝800 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌0.5h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.01g碳纳米管(cnt)分散于丙酮中，超声1h。所得cnt/丙酮分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，80℃继续搅拌2h，得到混合溶液。将15g市售白砂糖加入混合溶液中，80℃继续搅拌0.5h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫2。
40.实施例3
41.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar761,mw＝600 000)溶于丙酮:dmac为1:1的有机溶剂中，50℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.01g碳纳米管(cnt)分散于丙酮:dmac＝1:1中，超声2h。所得cnt/丙酮/dmac分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，50℃继续搅拌0.5h，得到混合溶液。将15g市售白砂糖加入混合溶液中，50℃继续搅拌1h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系
中加入水作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫3。
42.实施例4
43.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar761,mw＝600 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.01g碳纳米管(cnt)分散于丙酮:dmf＝1:1中，超声2h。所得cnt/丙酮/dmf分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，60℃继续搅拌1h，得到混合溶液。将20g市售白砂糖加入混合溶液中，60℃继续搅拌，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫4。
44.实施例5
45.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar hsv 900,mw＝800 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.01g碳纳米管(cnt)分散于dmf中，超声2h。所得cnf/dmf分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，50℃继续搅拌2h，得到混合溶液。将27g市售白砂糖加入混合溶液中，60℃继续搅拌1h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫5。
46.如图2所示，为聚偏氟乙烯复合泡沫5孔壁的扫描电镜图。从图2中可以清晰看到聚偏氟乙烯复合泡沫5孔壁上分布着微米级的洞，泡沫孔壁上的这些小洞，为声能的耗散提供了有利条件，从而提高了聚偏氟乙烯复合泡沫的吸声性能。
47.实施例6
48.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar hsv 900,mw＝800 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.01g碳纳米管(cnt)分散于dmf中，超声2h。所得cnf/dmf分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，70℃继续搅拌2h，得到混合溶液。将33g市售白砂糖加入混合溶液中，70℃继续搅拌1h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫6。
49.实施例7
50.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar hsv 900,mw＝800 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.01g玻璃纤维分散于dmf中，超声2h。所得玻璃纤维/dmf分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，80℃继续搅拌2h，得到混合溶液。将33g市售白砂糖加入混合溶液中，70℃继续搅拌0.5h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫7。
51.实施例8
52.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar761,mw＝600 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.06g碳纳米管(cnt)分散于丙酮中，超声2h。所得cnt/丙酮分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，70℃继续搅拌2h，得到混合溶液。将30g市售白砂糖加入混合溶液中，70℃继续搅拌1h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫8。
53.如图3所示，为聚偏氟乙烯复合泡沫8的扫描电镜图。从图3中可以看出所制备的聚偏氟乙烯复合泡沫8孔径大小均匀、填料分散均一、泡孔相互连通且泡沫孔壁有洞。泡沫泡孔结构的精准可控，实现了调控材料最优吸声频率的要求，为复杂场景下材料的针对性应用提供了可能。
54.实施例9
55.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar761,mw＝600 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.03g玻璃纤维分散于dmf中，超声2h。所得玻璃纤维/dmf分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，50℃继续搅拌2h，得到混合溶液。将30g市售白砂糖加入混合溶液中，60℃继续搅拌1.5h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水:dmf为5:1作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫9。
56.如图4所示，为聚偏氟乙烯复合泡沫9的照片。照片中可以看出，本专利所提供的方法制备出的材料均一且无气泡。相较于以往的制备方法具有极大的优势，实现了在80℃以下聚偏氟乙烯复合材料的发泡，填补了非溶剂致相分离法结合颗粒浸出法发泡的技术空白。
57.实施例10
58.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar761,mw＝600 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.02g碳纳米管(cnt)分散于丙酮中，超声2h。所得cnt/丙酮分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，80℃继续搅拌2h，得到混合溶液。将30g市售白砂糖加入混合溶液中，70℃继续搅拌1h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫10。
59.将复合泡沫10的上下致密皮肤层切去，制成直径为29mm，厚度为10mm的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料10，将聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料10置于声阻抗管里面进行声学测试，得到吸声系数与频率关系曲线。
60.如图5所示，为聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料10的吸声系数与频率关系曲线。从图5中可以看出，本发明制备的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料具有宽频带吸声的性能。通过计算得到，复合泡沫吸声材料10在厚度仅为10mm时，在500-6400hz频率范围内平均吸声系数为0.71，在2000-6400hz频率范围内平均吸声系数为0.85；1000-6400hz频率范围内吸声系数α均大于0.2，1800-6400hz频率范围内吸声系数α均大于0.5，优异的吸声性能可满足不同声学环境的吸声要求。
61.实施例11
62.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar hsv 900,mw＝800 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.03g纳米纤维素(cnf)分散于dmac中，超声2h。所得cnf/dmac分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，70℃继续搅拌2h，得到混合溶液。将33g市售白砂糖加入混合溶液中，70℃继续搅拌2h，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水:dmac为5:1作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫11。
63.将复合泡沫11的上下致密皮肤层切去，制成直径为29mm，厚度为10mm的聚偏氟乙
烯复合泡沫吸声材料11，将聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料11置于声阻抗管里面进行声学测试，得到吸声系数与频率关系曲线。
64.通过计算得到，复合泡沫吸声材料11在厚度仅为10mm时，在500-6400hz频率范围内平均吸声系数为0.73，在2000-6400hz频率范围内平均吸声系数为0.87；1000-6400hz频率范围内吸声系数α均大于0.2，1800-6400hz频率范围内吸声系数α均大于0.5，优异的吸声性能可满足不同声学环境的吸声要求。
65.实施例12
66.如图1所示，按照聚偏氟乙烯复合泡沫的制备方法图。将3g聚偏氟乙烯粉(kynar hsv 900,mw＝800 000)溶于丙酮:dmf为1:1的有机溶剂中，80℃搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液。将0.03g玻璃纤维分散于丙酮中，超声2h。所得玻璃纤维/丙酮分散液加入聚偏氟乙烯溶液中，80℃继续搅拌2h，得到混合溶液。将33g市售白砂糖加入混合溶液中，继续搅拌，待混合溶液黏度适宜时，得到混合体系。停止搅拌，向混合体系中加入水:乙醇为5:1作为凝固浴，重复更换凝固浴，24h后水洗，干燥，得到聚偏氟乙烯复合泡沫12。
67.将复合泡沫12的上下致密皮肤层切去，制成直径为29mm，厚度为10mm的聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料12，将聚偏氟乙烯复合泡沫吸声材料12置于声阻抗管里面进行声学测试，得到吸声系数与频率关系曲线。
68.通过计算得到，复合泡沫吸声材料12在厚度仅为10mm时，在500-6400hz频率范围内平均吸声系数为0.70，在2000-6400hz频率范围内平均吸声系数为0.82；1000-6400hz频率范围内吸声系数α均大于0.2，1800-6400hz频率范围内吸声系数α均大于0.5，优异的吸声性能可满足不同声学环境的吸声要求。
69.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。