通过逐级胞体形貌控制和聚氨酯酰亚胺支柱结构化增强宽带吸声的多功能聚氨酯泡沫

《European Polymer Journal》：Multifunctional polyurethane foams with enhanced broadband sound absorption via sequential cellular morphology control and polyurethane-imide strut structuring

　　摘要：本研究开发了一种顺序两步策略，以提高聚氨酯（PU）泡沫的吸声性能。第一步中，采用硅烷偶联剂（GPTMS）表面处理的乙基纤维素被引入，以调节泡孔形态，减小空腔尺寸、孔径和开孔率，从而促进有利于吸声的孔隙结构。在乙基纤维素系列中，含0.4 wt%处理乙基纤维素的优化泡沫（T0.4）表现出最高的声学性能。第二步中，将聚氨酯酰亚胺（PUI）前驱体以4–20 wt%的固含量引入T0.4，在PU骨架上形成球状PUI衍生结构，诱导声波产生额外的多向漫散射。最佳样品T0.4/PUI-12的平均吸声系数达到0.851，较原生PU泡沫提高了32.8%。TGA分析表明，PUI的引入将起始分解温度从334 °C（T0.4）提高至352 °C（T0.4/PUI-20），DMA结果表明储能模量和损耗模量均显著增加。这些结果表明，GPTMS处理乙基纤维素与PUI的联合使用为开发具有同时改善吸声性能、热稳定性和动态力学性能的多功能PU泡沫提供了一条有效途径。引言：快速的工业化和科技进步使得来自交通运输、工业运营和社区活动等多种来源的噪声污染日益加剧，使其在许多人口稠密地区广泛存在[1]。噪声被认为是影响人类健康和生活质量的主要环境压力源之一[2], [3]。由于实际噪声源包含宽频范围的频率成分，因此需要能够有效地在宽频谱范围内耗散声能的吸声材料。为解决这一问题，已开发出各种多孔聚合物基吸声材料，例如三聚氰胺泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫和聚氨酯泡沫，并得到了广泛应用[4]。其中，聚氨酯（PU）泡沫因其低密度、优异的成型性和易于结构设计，已被广泛用作吸声材料。在聚氨酯泡沫中，入射声波通过互连的孔隙网络传播，并经历反复的反射和散射，在此过程中，声能通过空气-骨架界面的粘性损失和热损失转化为热能[5]。因此，设计一种有利于延长声波传播路径并促进内部能量耗散的泡孔微观结构，是提高PU泡沫声学性能的核心挑战。为了提高多孔材料的吸声性能，已提出各种策略。一种广泛研究的方案是在制备过程中改性泡沫配方或引入颗粒填料以调节泡孔形态。Lee和Kim采用蓖麻油基生物多元醇制备了聚氨酯泡沫，并报道了其引入产生了更小的空腔和孔隙，降低了开孔率，从而提高了气流阻力和曲折度，改善了吸声性能[6]。Choe和Kim系统地改变了芳香族和脂肪族异氰酸酯的比例，证明异氰酸酯反应活性的变化改变了泡孔尺寸和泡孔壁面积比，在优化配方下实现了增强的吸声性能[7]。Chen和Jiang将竹叶颗粒引入PU泡沫中，结果表明颗粒通过增加内摩擦并促进多孔结构内声波的反射和散射来提高吸声性能[8]。除了配方优化方法之外，通过在预制泡沫骨架上引入功能颗粒或涂覆结构来改善吸声性能的策略也得到了积极探索。Zhang等人引入含磷氧化石墨烯在PU骨架上形成层状涂层，延长了声波传播路径，并通过层状片层结构促进了声能耗散[9]。Jung等人将活性炭颗粒沉积在PU骨架上构建分级多孔结构，并报道了声波传播路径的增加有助于改善宽频吸声性能[10]。Shen等人用银颗粒涂覆三聚氰胺泡沫的骨架，并引入纤维素纳米纤维形成具有更高曲折度的分级孔隙结构，从而增强了宽频吸声性能[11]。他们报告说，这种结构增加了声波传播路径的曲折度，从而提高了宽频吸声性能。这些研究表明，各种结构设计策略已被探索用于改善多孔材料的吸声性能。在本研究中，开发了一种顺序两步策略，同时控制PU泡沫的泡孔形态和骨架表面拓扑结构以提高声学性能。第一步中，将生物基填料乙基纤维素（EC）引入PU泡沫以调节内部泡孔形态。由于颗粒填料的声学有效性很大程度上取决于其分散状态，EC经过3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）预处理，这是一种广泛用于增强生物基填料与聚合物基体之间界面粘附和分散的双官能硅烷偶联剂[12], [13]。通过抑制泡孔聚并并促进部分开孔结构的形成，优化后的GPTMS处理EC含量有望延长内部声波传播路径，并通过粘性损失和热损失增加声能耗散。第二步中，通过浸渍和水热处理将聚氨酯酰亚胺（PUI）前驱体溶液引入形态优化的泡沫中，在PU骨架表面形成球状PUI衍生结构。这些表面特征被设计用于在骨架层面诱导声波的多向漫散射，提供与第一步建立的主体孔隙网络效应独立且互补的额外声能耗散机制。除声学性能外，将热稳定的酰亚胺环结构引入泡沫骨架中预计还能提高热稳定性和动态力学性能，从而可能扩展所得PU泡沫的功能适用性。采用FE-SEM、阻抗管测量、TGA、DMA和UTM对所制备的泡沫进行表征，以研究EC表面改性和PUI引入对微观结构、吸声性能、热稳定性、动态力学性能和压缩行为的影响。材料：用于制备聚氨酯泡沫的原料包括聚醚多元醇（PPG-6000，羟值：28 ± 2 mg KOH/g，分子量：6000 g/mol，平均官能度：3，锦湖石化）和异氰酸酯（KW 5029/1C-B，NCO含量：35 ± 0.5 wt%，25 °C时粘度：290 cps，由78 wt%的4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯（4,4'-MDI）、5 wt%的2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯（2,4'-MDI）和17 wt%的甲苯二异氰酸酯组成，巴斯夫）。DABCO 33LV由67 wt%的二丙二醇和33 wt%组成。乙基纤维素的表面改性：改善填料与PU基体之间的界面相容性对于实现填料均匀分散和形成稳定的孔隙结构至关重要[16]。采用GPTMS对乙基纤维素（EC）进行表面处理，在EC表面引入额外的有机官能团，从而增强EC与PU基体之间的界面相互作用[17]。采用FTIR光谱证实了EC的GPTMS表面改性成功。如图1(a)所示，两结论：在本研究中，开发了一种结合生物填料引入和PUI前驱体辅助骨架改性的顺序两步策略，以提高PU泡沫的吸声性能。首先，引入生物填料构建有利于吸声的内部形态。随后，将PUI前驱体引入优化的T0.4泡沫中，在PU骨架上形成PUI衍生的球状结构。这些结构诱导了额外的多向漫散射。作者贡献声明：Insung Ree：撰写初稿、可视化、验证、调查、正式分析、数据整理。Jung Hyeun Kim：撰写—审阅和编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。利益冲突声明：作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢：本研究由韩国国家研究基金会（NRF）通过基础研究计划支持，资金由科技部和信息通信部提供（RS-2024-00451587）。作者信息：Insung Ree | Jung Hyeun Kim首尔大学化学工程系，韩国首尔东大门区首尔市立大学路163号，邮编02504