一种具有水下低频吸声性能的MXenePVASBR橡胶复合材料的制备方法和应用

本发明涉及水下吸声材料，具体而言，尤其涉及一种具有水下低频吸声性能的mxene/pva/sbr橡胶复合材料的制备方法和应用。

背景技术：

1、水下吸声材料能够吸收水中声波并转化为其他形式的能量。可有效降低水下噪音，减少目标声呐信号，提升声学设备性能。广泛应用于构建消声水池、敷设潜艇消声瓦及处理声纳信号等领域，对海洋科研与国防装备制造具有重要意义。

2、常见的水下吸声材料涵盖橡胶复合材料、金属复合材料及声压陶瓷等。其中，橡胶复合材料因其优良的阻抗匹配特性和相对较低的成本，已经得到了广泛的应用。然而，随着低频声呐技术的飞速发展，相应的对水下吸声材料在低频范围内的性能，提出了更严苛的要求。由于低频声波波长较长、能量密度较低且绕射效应显著，传统橡胶复合材料难以满足低频吸声需求。因此，研发一种新型的橡胶复合材料，实现高效的低频吸声，已成为该领域的重要研究内容。

3、mxene作为新兴的二维材料家族，具有层状结构、表面官能团丰富，便于组装形成多样化的微观结构，并可采用多种工艺加工成自支撑薄膜，因此将其与具有粘弹性的橡胶复合，可望突破传统的水声材料吸声机理的限制，提高低频吸声性能，目前国内外还未有相关研究和报道。因此，开发mxene与橡胶的复合材料对于解决水下低频吸声难题，潜力巨大，前景可期。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有水下低频吸声性能的mxene/pva/sbr橡胶复合材料的制备方法和应用。

2、首先，制备mxene纳米粒子胶体溶液。然后，采用pva插层mxene制备mxene/pva薄膜，并将其作为吸声单元，再与sbr橡胶进行复合制备mxene/pva/sbr橡胶复合材料。与常见水下吸声橡胶相比，mxene/pva/sbr橡胶复合材料将sbr橡胶的粘弹性与二维mxene独特层状结构和性质相结合，可望突破传统的水声材料吸声机理的限制，实现小尺寸对低频段声波的吸收。并且mxene/pva薄膜无需复杂处理，通过层压方式与橡胶复合制备复合材料，整个制备工艺十分简单，灵活，便于调整复合材料的性能参数。通过本发明方法所制备的mxene/pva/sbr橡胶复合材料，可作为水下低频吸声材料应用于海洋科学研究，国防装备制造等领域。

3、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

4、本发明一方面提供一种具有水下低频吸声性能的mxene/pva/sbr橡胶复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

5、(a)将max相粉末进行化学刻蚀，经离心后反复洗涤、离心，再通过超声、离心得到mxene胶体溶液；

6、(b)制备非交联型mxene/pva薄膜、交联型mxene/pva薄膜；

7、所述非交联型mxene/pva薄膜的制备方法为：将pva在去离子水中充分溶解，而后加入到mxene胶体溶液中，超声后得到混合溶液，将混合溶液经真空辅助过滤装置过滤，过滤产物经干燥后得到非交联型mxene/pva薄膜；

8、所述交联型mxene/pva薄膜的制备方法为：将pva在去离子水中充分溶解，而后加入到mxene胶体溶液中，超声后得到混合溶液，将混合溶液与醛类物质进行化学交联，随后经真空辅助过滤装置过滤，过滤产物经干燥后得到交联型mxene/pva薄膜；

9、(c)在平板硫化机上，将混炼胶在模具中进行第一段硫化，制备得到sbr橡胶硫化胶片，然后将两侧为sbr橡胶硫化胶片和mxene/pva薄膜，堆叠后放置到模具中，在硫化机上进行第二段硫化，得到mxene/pva/sbr橡胶复合材料。

10、上述技术方案中，进一步地，步骤(a)中，所述化学刻蚀使用的刻蚀液为盐酸和氟化锂的混合溶液，所述盐酸和氟化锂的质量比为1～5:1，优选为3～4：1；所述氟化锂与max相粉末的质量比为1～10：1，优选为2～5:1；所述化学刻蚀的温度为15～45℃，时间为12～72h。

11、上述技术方案中，进一步地，步骤(a)中，所述max相粉末的化学通式为mn+1axn，其中m为过渡金属元素，a为ⅲa或ⅳa族元素，x为c或n，n＝1、2、3，进一步优选为ti2alc、ti3alc2、cr2alc、v2alc、mo2alc、nb2alc和ta2alc中的一种；

12、所述mxene的化学通式为mn+1xntx，其中m为过渡金属元素，x为c或n元素，tx为其表面官能团，选自-oh、-o、-cl和-f中的一种，n＝1、2、3，进一步优选为ti2ctx、ti3c2tx、cr2ctx、v2ctx、mo2ctx、nb2ctx和ta2ctx中的一种。

13、上述技术方案中，进一步地，步骤(a)中，所述离心的转速为500～10000rpm，时间为0.1～4h；

14、所述超声的时间为0.1～3h。

15、上述技术方案中，进一步地，步骤(b)中，所述mxene胶体溶液中mxene的质量与pva的质量比为1.5～15:1，优选为2.0～10:1；

16、所述pva分子量为3000～300000，优选为89000～98000。

17、上述技术方案中，进一步地，步骤(b)中，所述mxene/pva薄膜厚度为5～50μm，优选20～40μm。

18、上述技术方案中，进一步地，步骤(b)中，所述超声时间为5～10min。

19、上述技术方案中，进一步地，步骤(b)中，所述醛类物质为二醛或多醛，优选戊二醛；所述mxene胶体溶液中mxene的质量与醛类物质的质量之比为5～15；

20、所述化学交联的反应温度为40～90℃，优选50～70℃，反应时间为1～24h。

21、进一步地，步骤(b)中，所述mxene/pva薄膜的形状可以按需裁剪，优选圆形、椭圆形、三角形、正方形、梯形、星形或其变形。

22、上述技术方案中，进一步地，步骤(c)中，所述混炼胶的制备方法为：将质量比为sbr橡胶生胶：炭黑：硫磺：促进剂tbbs：硬脂酸：氧化锌＝100:50:1.75:1:1:3的原料，在双辊开炼机中进行混炼，混炼时间为10～300min，薄通次数为2～10次，得到混炼胶；

23、所述sbr橡胶生胶为乳聚sbr橡胶或溶聚sbr橡胶；

24、所述混炼时间为10～300min，优选30～90min；

25、所述薄通次数为2～10次，优选3～6次。

26、上述技术方案中，进一步地，步骤(c)中，所述第一段硫化的条件为：温度为140～170℃，优选155℃～165℃，压力为先预压3～10mpa，优选7～9mpa，时间为1～30min，优选1～10min，再增压6～15mpa，优选11～13mpa，时间为3～150min；所述第二段硫化的条件为：温度为140～170℃，优选155℃～165℃，压力为6～15mpa，时间为4～180min，优选为10～30min。

27、上述技术方案中，进一步地，步骤(c)中，所述mxene/pva薄膜为非交联型mxene/pva薄膜或交联型mxene/pva薄膜或非交联型和交联型mxene/pva薄膜组合。

28、本发明另一方面提供一种上述制备方法制得的mxene/pva/sbr橡胶复合材料作为水下吸声材料的应用。

29、本发明的有益效果为：

30、本发明通过设计制备mxene，再采用pva插层mxene，经抽滤沉积后制备mxene/pva薄膜，最后通过层压方式与sbr橡胶进行复合，制备mxene/pva/sbr橡胶复合材料。有望克服传统的水声材料吸声机理的限制，提高水下低频声波的吸声性能，解决了低频吸声的难题，在0.4～7.0khz范围内的平均吸声系数为0.81，其中在0.4～1.2khz范围内为0.60，在1.2～7.0khz范围内为0.86。

31、本发明制备工艺简单，在海洋科学研究、国防装备制造等领域具备广泛应用前景。

技术特征：

1.一种具有水下低频吸声性能的mxene/pva/sbr橡胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，所述max相粉末的化学通式为mn+1axn，其中m为过渡金属元素，a为ⅲa或ⅳa族元素，x为c或n，n＝1、2、3；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，所述mxene胶体溶液中mxene的质量与pva的质量比之为1.5～15:1；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，所述mxene/pva薄膜厚度为5～50μm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，所述醛类物质为二醛或多醛；所述mxene胶体溶液中mxene的质量与醛类物质的质量之比为5～15；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，所述混炼胶的制备方法为：将质量比为sbr橡胶生胶：炭黑：硫磺：促进剂tbbs：硬脂酸：氧化锌＝100:50:1.75:1:1:3的原料，在双辊开炼机中进行混炼，混炼时间为10～300min，薄通次数为2～10次，得到混炼胶；

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，所述第一段硫化的条件为：温度为140～170℃，压力为先预压3～10mpa，时间为1～30min，再增压6～15mpa，时间为3～150min；

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，所述mxene/pva薄膜为非交联型mxene/pva薄膜或交联型mxene/pva薄膜或非交联型和交联型mxene/pva薄膜组合。

9.一种权利要求1-8任一项所述制备方法制得的mxene/pva/sbr橡胶复合材料作为水下吸声材料的应用。

技术总结
本发明涉及水下吸声材料技术领域，具体而言，尤其涉及一种具有水下低频吸声性能的MXene/PVA/SBR橡胶复合材料的制备方法和应用。本发明通过设计制备MXene，再采用PVA插层MXene，经抽滤沉积后制备MXene/PVA薄膜，最后通过层压方式与SBR橡胶进行复合，制备MXene/PVA/SBR橡胶复合材料。有望克服传统的水声材料吸声机理的限制，提高水下低频声波的吸声性能，解决了低频吸声的难题，在0.4～7.0kHz范围内的平均吸声系数为0.81，其中在0.4～1.2kHz范围内为0.60，在1.2～7.0kHz范围内为0.86。

技术研发人员：廖明义,甘紫雯,祁冉冉,陈博文
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23