阅读说明：本技术 包含石墨烯的声学组合物/材料及其制备方法 (Acoustic compositions/materials comprising graphene and methods of making the same ) 是由 安东尼·查尔斯·赞德 艾木蒂·尤尔可·尼内 艾木蒂·阿尤布 杜桑·洛西 本杰明·卡佐拉托 于 2018-03-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低密度泡沫材料及其制备方法,包括泡沫中的自组装氧化石墨烯,其具有高吸声性能以及增强的水分绝缘和阻燃性。将氧化石墨烯材料插入或分布在开孔泡沫材料的开口内,产生具有增强的吸声性能的新型泡沫材料。(The invention discloses a low-density foam material and a preparation method thereof, wherein the low-density foam material comprises self-assembled graphene oxide in foam, and the self-assembled graphene oxide has high sound absorption performance and enhanced moisture insulation and flame retardance. The graphene oxide material is inserted or distributed within the openings of the open-cell foam, resulting in a novel foam with enhanced sound absorption properties.)

包含石墨烯的声学组合物/材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及声学或声音阻尼材料，尤其涉及包含石墨烯或氧化石墨烯(GO)或还原氧化石墨烯(rGO)的声学或声音阻尼复合材料。

背景技术

吸声材料可以在各种位置使用，并且通常用于吸收声能而不是反射声能。由于它们能够吸收声音，因此它们可以在靠近噪声源(例如电动机、机械发动机)的位置使用，也可以靠近接收器使用。

吸声复合材料通常包括多孔吸收材料，例如三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫、金属泡沫和陶瓷泡沫，它们通常用于控制中频和高频噪声。

多孔吸声材料通过在互连孔的网络中发生声音传播而起作用，其中声波与孔壁的相互作用导致声能的消散。然而，为了在中频和高频范围内提供有效的噪声吸收，需要相对厚的多孔复合材料部分。

因此，需要利用厚的多孔吸声材料层，以便在低频下有效实现噪声吸收。这就导致使用重负荷的复合材料，其占据相当大的空间，因此从成本和尺寸的角度来看，这种材料无法起作用。

关于已知材料的吸声机理的实验和理论研究表明，吸收性能(系数)显著取决于多孔结构中的微尺度孔和孔径分布。这些吸收材料的孔改性有助于控制重要的吸收相关参数，例如流阻率、孔隙率、弯曲度、刚度、可压缩性和其他特性，包括导热性和导电性。

需要一种新的适用于广泛应用的具有先进吸声能力的多功能复合材料。

发明内容

发明目的

本发明的一个目的是克服或至少基本上改善现有技术的缺点和缺陷。

本发明的其它目的和优点将结合所附实施例，通过以下描述变得显而易见，其中通过举例说明和实施例，公开了本发明的几个实施方式。

发明概述

根据本发明，提供了一种石墨烯基复合泡沫材料，其包含开孔泡沫材料，具有***或连接或分布在其中的石墨烯基材料。

优选地，石墨烯基材料***或分布在开孔泡沫的开口内。

优选地，***或分布在开孔泡沫的开口内的石墨烯基材料导致在开孔泡沫材料中形成一部分封闭的孔。石墨烯基材料与多孔泡沫骨架的肢体部分/完全互连。

优选地，开孔泡沫材料是三聚氰胺泡沫。

优选地，开孔泡沫材料是聚氨酯泡沫、陶瓷泡沫、丝瓜络海绵、天然泡沫或金属泡沫。

优选地，开孔泡沫是官能化泡沫，其可以与优选的石墨烯衍生物(即氧化石墨烯)静电整合。

优选地，开孔泡沫材料嵌有石墨烯基材料。

优选地，石墨烯是衍生的石墨烯和/或氧化石墨烯和/或还原氧化石墨烯和/或其他官能化的石墨烯。

优选地，石墨烯基材料是氧化石墨烯。

优选地，石墨烯基材料是液晶的形式。

优选地，石墨烯基材料由选自胺基、羟基、羧基、环氧基、酮基、醛基或其混合物的基团官能化。

优选地，复合材料是吸声材料。

在本发明的另一种形式中，公开了一种制备石墨烯基复合物的方法，该方法包括(i)在液体中提供一定浓度的石墨烯基材料和多孔聚合材料，(ii)超声处理所述液体，其中超声处理促进石墨烯基材料结合至聚合材料的孔内和/或结合至复合材料的孔上，和(iii)去除所述液体以提供石墨烯基复合物。

优选地，(iii)中的液体去除过程促进在开孔材料的至少一部分孔上自组装/形成石墨烯基材料层。

优选地，(iii)中的液体去除过程促进在开孔材料的至少一部分孔上形成石墨烯基材料层，以封闭至少一部分孔。

优选地，多孔聚合材料是多孔开孔泡沫聚合材料。

优选地，石墨烯基材料层是自组装薄层。

优选地，所述薄层是薄片。

优选地，石墨烯基声学材料的密度在10kg/m³-1000kg/m³之间。

优选地，石墨烯基声学材料的密度在5kg/m³-30kg/m³之间。

优选地，石墨烯基声学材料的密度在10kg/m³-25kg/m³之间。

优选地，石墨烯基声学材料的密度在11kg/m³-22kg/m³之间。

在一个实施方式中，本发明的石墨烯基复合物通过将额外的氧化石墨烯薄片(或小板)整合到三聚氰胺/聚氨酯/陶瓷泡沫中(其随机阻挡至少一部分已有的孔并改变孔分布，即改变开孔与闭孔的比)来提供一种新的层状微结构。通过产生石墨烯辅助的泡沫微层结构对孔分布的这些改变使得入射声波多次反射、散射，改变了吸声控制参数的性质，并因此使它们有效地增强了声吸收。

可以对上述实施方式和优选实施方式进行多种变化和修改，并且这些变化和修改仅仅是实现本发明的可能示例，以提供对本发明原理的更好理解。在实质上不脱离本发明公开的范围的情况下，可以对上述内容进行其他变化和修改。

详述

在本文中使用的术语“石墨烯”是指碳原子的层状薄片，其可以是单层或多层结构。

术语“氧化石墨烯”或“GO”是指可具有官能团的氧化的石墨烯。

与泡沫相关的术语“开孔”是指泡沫结构中的孔，其是开放的并且可以是通孔，其中所述孔与其它孔互连，或与在一端封闭的盲孔互连。

术语“还原氧化石墨烯”或“rGO”是指通过化学或热还原过程从氧化的石墨烯中除去氧官能团。

由于氧官能团的损失，还原氧化石墨烯在化学和物理上与氧化石墨烯不同。氧化石墨烯的还原程度可以变化，该变化反映在剩余的氧化基团的量上。在氧化石墨烯未完全还原的情况下，其在本领域中通常称为部分还原氧化石墨烯。还原和部分还原的氧化石墨烯比氧化石墨烯亲水性低。本领域有时将还原氧化石墨烯简称为石墨烯，表示基本上所有氧化基团已被除去。用于还原或部分还原氧化石墨烯的技术在本领域中是公知的。例如，氧化石墨烯可以通过化学或热还原来还原或部分还原。

术语“三聚氰胺泡沫”是指由甲醛-三聚氰胺-硫酸氢钠共聚物组成的泡沫材料。

在本发明的上下文中，表述“石墨烯基”复合物旨在表示该复合物具有以下组成，其包含石墨烯、氧化石墨烯、部分还原氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、或其两种或更多种组合、以及其他聚合交联剂。因此，表述“石墨烯基”材料可以在本文中方便地作为石墨烯(材料或薄片)、氧化石墨烯(材料或薄片)、部分还原氧化石墨烯(材料或薄片)、还原氧化石墨烯(材料或薄片)、或其两种或更多种的组合的参考。

附图说明

仅作为示例，参考附图在下文中更全面地描述本发明的实施例，其中：

图1示出具有可调密度的GO辅助层状结构的合成示意图：a.三聚氰胺骨架中合成GO-层状结构的示意图，b.微观GO薄片自组装成宏观互连的GO薄膜，形成层状结构，c.对照-MF(三聚氰胺泡沫)骨架的SEM，密度为9.84kg/m³，d.样品-MFGO-1，密度为12.39kg/m³，e.样品-MFGO-3，密度为18.77kg/m³，f.样品-MFGO-5，密度为24.12kg/m³。

图2示出氧化石墨烯和三聚氰胺泡沫结构。(a-c)通过TEM、SEM和AFM测得的GO的形态学图像。(d-e)未处理的三聚氰胺泡沫和GO辅助层状泡沫的光学图像。f.GO辅助层状结构的SEM。g.具有开孔结构的三聚氰胺骨架，(h-i)已处理样品的闭孔结构。

图3示出GO辅助层状结构的机械性能。a.对照-MF和具有不同密度的GO辅助层状泡沫(MFGO)的样品，b.在样品上施加500g的负荷，以实现不同密度样品增强的机械强度，c.两个不同压缩百分比的样品的压缩周期。

图4示出化学和热还原前后样品的润湿性和吸湿/放湿。a.还原前后(对照-MF、MFGO-3、MFrGO-3样品)润湿性的变化，(b和c)与对照-MF相比，MFGO和MFrGO样品的吸湿和放湿，(d、e和f)三聚氰胺和负载GO的三聚氰胺结构的高温稳定性和阻燃性能。a)MF对照，b)MFGO-3，c)MFrGO-3。

图5示出GO辅助层状结构的声吸收，a.与对照-MF相比，五种不同密度(12.39至24.12kg/m³)的MFGO样品的声吸收，厚度为26±0.5mm。b.基于GO负载的归一化声学活性。c.与对照MF-d相比，MFGO和MFrGO样品(26mm厚度)的层状结构的声吸收的增强(％)。d.未处理(对照-MF)和GO处理的三聚氰胺泡沫(MF)的吸收性能，显示GO增强三聚氰胺泡沫声吸收和将吸收峰向低频移动的作用。

图6示出降低密度(还原后)的高负载GO在低频吸收中的影响。结构中高负荷GO的声吸收，以及具有未变化结构的GO基薄片还原前后的比较，a.两种不同的密度(MFGO-3和MFGO-5)和b.两种不同厚度的MFGO-5。

图7通过比较相同密度(18.09kg/m³)的39±1mm对照-MF和18±0.5mm MFrGO-5的吸声性能，示出GO在中高频率下为减小(50％)的吸收体厚度提供相似吸收的效果。

图8示出GO和r-GO对相等吸收体厚度(18±0.5mm)和相等质量(密度)的MFGO-5(24.12kg/m³)和MFrGO-5(18.09kg/m³)的声吸收的影响，突出显示MFGO和MFrGO对于相等厚度和质量的对照-MF的更大或相似的吸收。在此使用MF-1(24.12kg/m³)和MF-2(18.09kg/m³)的压缩三聚氰胺泡沫来制备具有相同厚度和质量的MFGO和MFrGO的未处理(对照-MF)泡沫的样品。

图9示出商业上可获得的高性能吸收材料泡沫(来自BASF)的声学性能，与GO辅助的泡沫和GO辅助的三聚氰胺泡沫的声学性能的比较。

图10示出与对照-MF相比，不同密度层状结构(MFGO-1、MFGO-3、MFrGO-3、MFGO-5和MFrGO-5)增强的流阻率。

图11描述了通过多孔结构中的石墨烯基层状结构增强声吸收的机制。

图12示出用于制造石墨烯基层状结构的开孔泡沫的不同种类的多孔材料(三聚氰胺泡沫、聚氨酯(PU)泡沫和丝瓜络海绵)的实例。

具体实施方式

通用制备方法：

如在图1a中所示的，可以使用大范围浓度(0.5-10mg/ml)的氧化石墨烯(GO)液晶(LC)在三聚氰胺或其他聚合物泡沫骨架中制备这种层状或薄层结构。在典型的过程中，将具有开孔7的三聚氰胺泡沫5浸入GO LC溶液10(Milli-Q水)中并进行10-60分钟的超声处理15，以在孔20内形成GO液晶。超声时间取决于GO液晶的浓度，并且对于1mg/ml至10mg/ml的浓度范围，超声时间可以在10分钟至30分钟之间变化。超声处理的温度可在环境室温至60℃之间变化，这取决于GO液晶的浓度和液体的粘度。

其他溶液可以单独地或组合地用作GO LC的液体，包括但不限于水、DMF、NMP、THF、乙二醇、乙醇。

其他开孔泡沫可用于本发明，例如但不限于基于三聚氰胺、聚氨酯、金属或陶瓷基泡沫的开孔泡沫。在本发明的其他形式中，使用两种或更多种所述开孔泡沫的组合。本领域技术人员将理解，其他开孔泡沫，在所述泡沫具有可与GO基液晶静电结合的官能团(例如胺基、羧基、酮基、醛基官能团)的基础上，适合用于本发明。

GO在结构中的自组装发生在固化阶段，以形成互连的层状结构，如图1b所示，其中GO被***(嵌入)到泡沫结构之间的开放空间7中，例如进入开孔中，并在开孔上形成帽或覆盖物以至少部分地封闭开孔20。一些GO可以更深地进入开孔结构，但仍然可以形成层或薄层以至少部分地闭合开孔，或减少开孔的深度。可以通过使用不同浓度的GO LC来控制结构的密度。通过引入肼蒸气和在真空烘箱中热退火的两步还原，将GO进一步还原为还原GO，以改变结构的基本性质，例如润湿性、导电性、结构完整性。

使用多孔材料的三个实例，如图12所示，其包括三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫和丝瓜络海绵。这些实例和在不同种类的开孔结构中形成层状网络证明该方法适用于任何类型的开孔多孔结构。

结构性能

图2示出了剥离的GO及其物理性质，通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)显示。GO薄片的TEM证实了通过SEM确认的平均尺寸长度为4-5μm(面积为～20μm²)的常规剥离，而AFM证实了少量层合成GO的厚度。在三聚氰胺网络中带负电的GO薄片的自组装形成宏观的薄膜，其将孔的带正电的边缘相互连接以完全或部分地闭合孔。这就是闭孔结构如何形成，连接具有10kg/m³至25kg/m³之间不同密度的石墨烯薄片，其开孔和闭孔的比率在90％至10％之间。孔的边缘到边缘的平均尺寸在80μm至130μm之间变化，具有0.0072mm²至0.011mm²的表观开放和闭合孔面积。

轻质：

本发明的材料具有10-25kg/m³的密度，其在低频下显示出声吸收的显著改善，尽管材料的密度取决于许多因素，例如泡沫的使用位置、使用多少泡沫以及结合至泡沫中的其他材料。在一些应用中，泡沫的密度可以在100-1000kg/m³之间，并且其他密度被认为落入本发明的范围内。使用所提出的结构和密度，常规泡沫的厚度可以减小到一半以实现类似的声吸收。例如，40毫米厚的三聚氰胺泡沫显示出相当于20毫米厚、密度为21.41kg/m³的层状结构样品的声学活性。

可压缩性、机械强度：

该材料是高度可压缩的，并具有很强的机械强度，可抵抗高达15kPa的压力，如图3所示。

样品的机械可压缩性显著取决于它们的密度。在25℃下湿度调节24小时后，根据ASTM D 1622-08测量每种类型的5个样品的表观密度。使用拉伸/压缩/弯曲测试仪(Deben，200N，UK)进行样品的机械压缩测试。钳口速度设定为1.5毫米/分钟，以在不同的压缩长度下逐渐压缩。

标准(ASTM C-522)用于测量每个样品的静态气流阻力。ASTM C-522标准是一种直接气流方法，其中单向气流通过试样以在上游和下游流之间产生压力差，以测量管中试样的两个自由面之间产生的压降。试验台由丙烯酸管组成，该管连接到带有压力调节器、流量计和压力计的压缩空气管路。将样品安装在连接到隔室的丙烯酸管上。数字压力计(475Mark III，Dwyer，USA)用于测量流量达到稳定阶段后横跨安装的样品的气流压降。这里将气流阻力定义为使用等式-1获得的每单位厚度(l)的特定气流阻率(σ)。

其中，P1、P2是上游和下游静压，以计算横跨样品(厚度l，横截面积A)的压降，而流量计提供空气的体积流速(U)。

减小的吸湿：

通过使用从亲水到超疏水的材料，通过受控还原，可以根据需要改变本发明的石墨烯基复合材料。因此，饱和空气中的吸湿率非常低。即使在潮湿的环境中，这种具有低吸湿率的材料预计会在多年内表现更好。润湿性和吸湿结果如图4(a-c)所示。

阻燃性：

本发明的石墨烯基复合材料还显示出阻燃性。在三聚氰胺的热分解过程中，氮气的释放有助于减少火灾危险。另一方面，不可渗透的石墨烯薄片用作碳供体或炭化剂以抵抗氧气进入未燃烧区域。阻燃性已在图4(d-f)中示出。

将所制备的对照-MF、MFGO-3、MFGO-5、MFrGO-3和MFrGO-5样品放置在距离弥雾发生器(商用加湿器)的口部20mm处以吸湿，并在35％RH、25℃的温度下进行脱湿。对于吸湿和脱湿循环，每隔10分钟监测质量的变化。将对照-MF、MFGO-3和MFrGO-3(直径26.5mm，长度14mm)的样品用10μl汽油浸泡以起火，以测试火灾期间的结构和热稳定性。

导电性：

可以通过控制结构中使用的氧化石墨烯的还原程度来改变或更改石墨烯的导电性，以帮助使层状/薄层网络导电。化学和热还原后，材料的体电阻在250至400kΩ之间变化。这种具有良好声吸收的导电材料可用作电磁屏蔽。

声吸收性能：[用GO/r-GO涂层浸渍的三聚氰胺泡沫]

开孔三聚氰胺泡沫通常在中高频范围内提供良好的吸收性能。通过使用氧化石墨烯(GO)悬浮液对泡沫进行化学改性可以进一步改善泡沫的吸收性能，同时保持相同的材料厚度并改变材料的堆积密度，。

如图5(a)所示，在相同的材料厚度下，使用氧化石墨烯(GO)涂层(泡沫中MFGO样品的密度低至20毫克(12.39kg/m³))，在高于1500Hz的频率范围内，三聚氰胺泡沫的声吸收可提高高达10％。

通过增加泡沫中的GO负载，可以在较低频率范围内进一步提高吸收，并且可以在500Hz至3500Hz的宽带频率范围内将吸收提高多达60％(如图5(c)所示)，MFGO样品的密度高达24.12kg/m³。从图5(a)中可以看出，在某些频率下，最高密度样品(MFGO-5)的声吸收加倍。如图5(c)所示，GO的负载百分比的增加也表明声学活性几乎线性的增加。此外，GO负载有助于将三聚氰胺泡沫的最高吸收峰向较低频率移动，使其适用于低频吸声应用。通过实施GO材料的浸渍，可以在图5(d)所示的结果中观察到在低频下吸声性能增强的进一步证据。

GO辅助/掺入的泡沫可以为商业上可获得的高性能吸收泡沫(例如BASF生产的G⁺泡沫)提供更好的吸收性能，如图9所示的实验室测试结果中所观察到的。GO涂层的类似方法可用于泡沫，其中GO辅助泡沫相对未涂覆的(对照)泡沫提供增强的吸收性能，如图9所示。

根据ASTM E1050标准，使用两个麦克风在阻抗管中测量对照-MF、MFGO和MFrGO样品的垂直入射声吸收系数。使用定制的内径为25.4mm的铜阻抗管来测量吸收体样品的垂直入射吸声系数。阻抗管装置包括一个压缩驱动器、一个简单的支架和一个由铜管制成的管道部分，其保持测量管内声压的两个麦克风。

该仪器包括两个4958型1/4英寸Brüel&(B&K)阵列式麦克风、一个四通道B&K光子+TM数据采集系统和LDS Dactron软件。B&K麦克风在50Hz至10kHz的频率范围内具有±2dB的自由场频响应(re 250Hz)。使用活塞发声仪校准器(B&K 4230型)将麦克风灵敏度校准至在1kHz时94dB。采用4Hz频率分辨率采集测量数据，采样间隔为7.6μs(具有12800行和32768点)，约106s的有限持续时间的样本记录，平均为300次。

还计算了在f₁＝128Hz至f₂＝4000Hz之间的宽频谱范围内的样品的声学活性(归一化吸收系数，α)，以证明基于三聚氰胺骨架中GO负载百分比的层状样品的有效性。使用等式2计算归一化声学活性(α)：

其中，α(f)是频率相关吸收系数，f₁和f₂表示计算活性的频率下限和频率上限。

材料厚度和质量要求：

本发明所提出的吸声器基于浸渍有氧化石墨烯(GO)涂层的开孔泡沫(例如三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫)(图12)。这改变了材料的堆积密度，从而增加了材料的重量。然而，GO涂覆材料的新颖之处在于它可以为宽带频率范围提供类似的声吸收，对于相等质量的未涂覆泡沫，材料厚度减少50％。或者，可以对所提出的材料进行化学处理以从GO结构中除去氧官能团和水分，这使得该材料含有高达30％降低密度的GO泡沫。

如图6所示，具有还原氧化石墨烯(rGO)的开孔泡沫对于相等厚度的GO涂覆泡沫，可以通过减少30％的质量(密度)来使材料重量减轻，并且可以提供与GO涂覆泡沫等量的声吸收。此外，在中高频率下，rGO涂覆泡沫可以提供与未涂覆泡沫相同的吸收性能，其中吸收体质量相等，材料厚度减少50％，如图7所示。对于相等的厚度和质量，与未涂覆的材料相比，GO和r-GO涂覆的材料都可以提供更好或相似的吸声性能。这些吸收性能的比较可以在图8中看出。总的来说，GO-和rGO-涂覆的泡沫以减小厚度和质量的吸收体所需材料表现出优异的吸收性能。

非声学性能：

通过本发明的方法，随机阻塞开孔多孔结构中的孔会在波传播路径中产生不规则性并使流动路径更曲折。这降低了孔隙率并增加了材料的流阻率和弯曲度。研究表明，材料的流阻率和弯曲度随材料中的GO负载线性变化。如图10所示，测得的流阻率确认了MFGO的流阻率随着GO负载的百分比(样品密度)而增加。最高密度层状结构(MFGO-5)的流阻率测量为40932Ns m^-4，其大约是对照MF(≈10450Ns m^-4)的四倍。如图11A所示，来自声源35的声波30进入开孔结构40并且相对不受阻碍，导致在通过开孔结构40之后声波45的低水平衰减。相比之下，来自声源35进入半开孔结构50的声波30面对石墨烯薄片阻挡55，其产生高的气流阻力。这导致波传播60的高水平的弯曲度和声能65内部反射，导致残余噪声70的极大的衰减水平。

如现在可以理解的，由本发明的一种或多种形式提供的方法和组合物显示：

a.声吸收增加，在某些形式中，由于弯曲度、孔隙率、刚度和流阻率的变化，比商业泡沫的声吸收高出60％。

b.有效地在低至500Hz的频率下实现良好的吸声特性，并且与传统泡沫相比，可以使噪声降低性能在1kHz左右加倍。

c.可调整材料以根据需要改变机械、热和电性能；

d.在火灾危险期间增加阻燃性和/或减少有毒挥发性物质的产生；

e.降低吸收和/或抵抗水分吸收的能力。

所述材料在火灾危险期间具有抵抗火焰传播和有毒挥发物释放的巨大潜力。

尽管这里已经在被认为是最实用和优选的实施方式中示出和描述了本发明，但是应该认识到，可以在本发明的范围内进行改变，本发明的范围不限于本文中描述的细节，而是应当包括所附权利要求的全部范围，以包含任何和所有等同的装置和设备。