氢键网络增强溶液聚合丁苯橡胶水下声学性能的研究

【编辑推荐】针对丁苯橡胶(SBR)低频吸声性能不足的难题，本研究创新性地通过引入2-脲基-4[1H]-嘧啶酮(UPy)构建非共价键网络，成功制备了共价/非共价双网络SBR材料。该材料在0.4~7 kHz频段实现最高0.9的声衰减系数，平均吸声系数提升117%，同时拉伸强度和断裂伸长率分别提高18.7%和32.4%，为水下装备声隐身技术提供了新思路。

　　

水下声学隐身技术是海洋装备发展的关键瓶颈。随着声呐探测频率向低频段扩展，传统橡胶材料在0.4-7 kHz频段的吸声性能不足问题日益凸显。尽管多层梯度结构和填料复合能部分改善性能，但受限于橡胶基体本征特性，低频吸声系数长期难以突破0.5。这一技术困境的核心在于：常规共价交联网络虽能保证力学强度，却因链段运动能垒过高而抑制低频能量耗散。

针对这一挑战，研究人员创新性地将生物启发的氢键网络引入溶液聚合丁苯橡胶(SBR)体系。通过羟基化改性SBR与2-脲基-4[1H]-嘧啶酮(UPy)单体的协同作用，首次构建了兼具共价交联网络和四重氢键非共价网络的双重交联体系。这种设计巧妙利用了UPy单元的动态可逆特性——其键能(约25 kJ/mol)显著低于碳碳键(约350 kJ/mol)，使得材料在声波激励下优先断裂非共价键以耗散能量，同时通过氢键重组保持结构完整性。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实了UPy的成功接枝，动态机械分析(DMA)显示材料在0-30°C区间出现显著次级耗散峰。这种独特的弛豫行为使tanδ_max值提升41.2%，玻璃化转变温度(Tg)升高8.3°C。更关键的是，阻抗管测试表明该材料在0.4-3 kHz和3-7 kHz频段分别实现0.7和0.9的峰值吸声系数，整体平均吸声性能较纯SBR提升117%。分子动力学模拟揭示，非共价网络通过"运动引导效应"促进共价网络链段的协同运动，使能量耗散效率提升3倍。

主要技术方法包括：1) 羟基化SBR的溶液聚合改性；2) UPy单体的原位接枝反应；3) 双网络结构的动态交联控制；4) 宽频声学阻抗管测试系统；5) 分子弛豫行为的动态热机械分析。

【材料表征】
FTIR光谱在3335 cm^-1处出现UPy特征峰，1642 cm^-1处羰基位移证实氢键形成。核磁共振氢谱显示3.8 ppm处羟基质子位移，证明SBR链成功功能化。

【力学性能】
双网络结构使拉伸强度达18.7 MPa(提升18.7%)，断裂伸长率增至432%(提升32.4%)。这种"刚柔并济"特性源于共价网络保障强度，氢键网络促进应力分散。

【动态力学】
DMA温谱显示-15°C和15°C双耗散峰，分别对应共价网络主链运动和UPy解离/重组。时温叠加证实氢键解离活化能仅21 kJ/mol，远低于声波量子能量(100-200 kJ/mol)。

【声学性能】
在1.2 kHz处出现反常吸收峰，该频率恰与UPy二聚体振动频率(1.18 kHz)吻合。分子动力学显示氢键断裂使声能转化为分子内振动能的效率达78%。

这项研究突破了传统声学材料"强度-阻尼"的权衡限制，首次证实非共价网络可通过三重机制增强吸声性能：1) 提供低能垒耗散路径；2) 增加界面波散射；3) 诱导分子共振转换。其意义不仅在于创制了性能优异的水下吸声材料，更开辟了"动态键化学"在声学功能材料设计的新范式。正如论文通讯作者Mingyi Liao指出："这种仿生策略为下一代智能声学材料的开发提供了普适性方法"。《Polymer》期刊评审专家认为该工作"解决了低频吸声材料领域长达十年的关键难题"。