通过共价交联-二维网络实现泡沫结构的协同调控：开发具有共同稳定特性的KHGB/GO复合膜，以提升耐磨性、吸音性和耐候性，适用于沿海环境

《Progress in Materials Science》：Synergistic regulation of foamed structure via covalent crosslinking-2D network: toward KHGB/GO composite membranes with co-stabilized wear resistance, sound absorption, and weatherability for coastal environments

针对沿海浅水公路表面多重环境损伤问题，提出“共价交联+二维网络增强+泡沫结构调控”三重协同设计策略。通过KH550增强空心玻璃微珠与基体的界面结合，GO二维网络支撑泡沫孔结构，构建梯度泡沫结构（表面致密小孔/内部疏松大孔）。实验表明，复合膜耐磨指数达400（较未改性提升66.64%），经9000次摩擦质量损失<0.1mg，5470Hz吸声系数0.9445，168小时盐雾腐蚀后UPF保持率94%，拉伸强度67.71%，吸声性能89.96%，首次实现耐磨损、高吸声与抗腐蚀性能的协同提升。

　　

作者：Hang Ye, Yuanjun Liu

天津天宫大学纺织科学与工程学院，中国天津 300387

摘要

沿海浅水区的高速公路表面会受到“波浪侵蚀-紫外线老化-盐雾腐蚀”共同作用导致的复合损伤。现有的吸音材料由于无法平衡“耐磨性-吸音性-耐候性”性能，因此使用寿命较短，且缺乏关于多种性能特性协同增强机制的系统研究。本文提出了一种新型的多层次协同设计策略，结合了“共价交联+二维网络增强+泡沫结构调控”技术。硅烷偶联剂（KH550）在空心玻璃微球（HGB）与基体之间形成了Si-O-Si共价键，并与氧化石墨烯（GO）的二维层状网络结合，以支撑和限制泡沫孔隙结构，从而形成了“软基体-硬颗粒-梯度泡沫孔隙”的KHGB/GO复合膜。实验结果表明，该复合膜的耐磨指数达到了400（比未改性膜提高了66.64%）。此外，在7000至9000次摩擦循环后，其质量损失仍低于0.1毫克——这一数值低于分析所用微天平的测量精度下限。在5470 Hz频率下的吸音系数为0.9445。经过168小时的盐雾腐蚀后，该复合膜的UPF保留率、拉伸强度保留率和吸音系数保留率分别达到了94%、67.71%和89.96%，在极端条件下实现了多种性能的协同稳定性。这为沿海基础设施的长期降噪提供了创新解决方案。

引言

沿海浅水区高速公路的噪声污染控制依赖于高效的吸音材料[1,2]，而泡沫结构在提升吸音性能方面起着关键作用。然而，沿海地区的多种环境退化因素对泡沫材料构成了严峻挑战[3]：波浪侵蚀容易导致泡沫孔隙塌陷[4, [5], [6], [7], [8]；盐雾腐蚀会损坏孔隙壁结构[9, [10], [11], [12], [13]；紫外线老化则会导致基体降解和孔隙连通性丧失[14]。现有研究中，泡沫材料常常面临“提高泡沫密度以增强吸音性会导致结构强度和耐磨性下降”的困境[15, [16], [17], [18]，并且缺乏对多种性能协同增强机制的深入研究。

以往的研究主要集中在优化单一性能[19]，未能实现“泡沫结构-界面粘结-网络支撑”的协同调控[20]。HGB因其轻质中空特性可以优化泡沫孔隙结构[21, [22], [23], [24], [25]，但未经改性的HGB与基体的界面粘结较弱，导致发泡过程中聚集和孔隙分布不均[26]；GO的二维层状结构可以支撑泡沫孔隙，但单独使用时层间堆积会堵塞孔隙，从而降低吸音性能。

本文创新地将泡沫结构融入多层次设计体系中：通过使用KH550共价键增强HGB与基体之间的界面粘结，防止了发泡过程中微珠脱落导致的孔隙壁缺陷；利用GO的二维网络均匀分散发泡剂，形成了“表面密集小气泡、内部松散大气泡”的梯度结构，从而通过内部的大气泡提高吸音效果，并通过表面的小气泡分散摩擦应力来增强耐磨性。这一设计突破了传统材料瓶颈——即“硬度导致脆性、柔软性导致易磨损、耐磨性牺牲吸音性”的问题，首次实现了耐磨性、吸音性和耐候性的协同提升。这为设计适用于极端沿海环境的多功能吸音材料提供了新的理论基础和技术途径。

实验材料

实验材料

无水乙醇（AR，99.7%）购自天津富晨化学试剂有限公司（中国）。氢氧化钠（NaOH，AR，96%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国）。氯化钠（AR，99.5%）购自上海源业生物科技有限公司（中国）。浓盐酸（分析级，AR，36–38%）购自天津丰川化学试剂科技有限公司（中国）。水性聚氨酯（PU-2540）购自...

形态与特性

如图2(c)所示，FTIR光谱证实了KHGB/GO复合膜的成功制备。3324 cm^?1?1?1?1?1

结论

本研究采用“共价交联、二维网络增强和泡沫结构调控”的协同策略制备了适用于沿海环境的KHGB/GO复合泡沫膜。核心创新在于将泡沫结构调控融入多层次设计中。通过使用KH550共价键加强HGB与基体之间的界面连接，并结合GO二维网络构建梯度泡沫结构...

作者贡献声明

Hang Ye：正式分析、数据整理、概念构建。Yuanjun Liu：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国山东省博士后创新项目（SDCX-ZG-202400284）和中国教育部高性能纤维与产品重点实验室（2232024G-02）的支持。