通过ZIF67负载诱导的表面粗糙度增强三聚氰胺泡沫的降噪效果

《Polymer》：Enhanced Noise Reduction of Melamine Foam through Surface Roughness Induced by ZIF67 Loading

本研究采用多巴胺介导的表面修饰方法，在蜜胺泡沫上原位生长ZIF67晶体，制备出ZPM复合材料。实验表明，该材料具有优异的宽频吸声性能（NRC=0.64，STL>15dB@500Hz），其增强机制源于优化泡沫骨架结构、微孔形成及表面粗糙度对界面摩擦阻尼的强化作用。该简便方法为轻质泡沫复合材料的噪声控制应用提供了新范式。

　　

黄伟珍|薛洁宇|肖启月|赵若涵|丁远荣|张建勋|周晨|杨勇

中国江苏省苏州大学纺织与服装工程学院现代丝绸国家工程实验室，邮编215000

摘要

噪声污染长期以来一直是影响日常生活和工业活动的重要挑战。多孔材料（如三聚氰胺泡沫）由于其优异的吸音性能、低密度和易于加工的特性而被广泛用于降噪。然而，在实际应用中，其吸音性能往往受到厚度或质量控制的限制。本研究采用多巴胺（PDA）介导的表面改性方法，在三聚氰胺泡沫（MF）上生长沸石咪唑框架67（ZIF67），以提升其声学和机械性能。ZIF67/PDA/MF复合材料（ZPM）表现出出色的声学性能，最佳噪声降低系数（NRC）为0.64，同时在500 Hz以上保持超过15 dB的声传输损失（STL）值，在6400 Hz时达到最大值30.95 dB。在60%的应变下，其最大模量为35.1 kPa。这些改进源于优化的泡沫骨架结构、通过ZIF67沉积形成的微孔以及增加的表面粗糙度，这些因素增强了界面摩擦阻尼效应。这种简单而通用的策略可以扩展到其他多孔材料，显示出在工业、建筑和交通应用中控制噪声的巨大潜力。

引言

多孔材料在噪声控制工程中是一种成熟的解决方案，这得益于它们卓越的声能吸收和耗散能力。这些优异的性能源于其独特的微观结构，即相互连接的微孔，这些微孔通过声波与多孔骨架之间的相互作用促进了声能的耗散。当声波撞击多孔材料表面时，声能分为反射部分和透射部分，后者穿透材料。在多孔结构内部，声波导致孔内的空气运动并摩擦孔壁。由于粘度和热传导效应，这种摩擦作用将声能转化为热能，从而实现声能的耗散[1]、[2]。常见的多孔材料可以分为三类：气凝胶（例如二氧化硅气凝胶[3]、聚酰亚胺气凝胶[4]、氧化石墨烯气凝胶[5]）、泡沫（例如聚氨酯泡沫[6]、三聚氰胺泡沫[7]和聚乳酸泡沫[8]）以及纤维毡（例如天然纤维[9]、陶瓷纤维[10]、玻璃纤维[11]）。虽然这些材料在中高频范围内通常表现出令人满意的吸音性能，但在低频范围内的声学性能仍不理想。为了解决这一低频限制，传统方法主要通过增加材料厚度来匹配低频声波的波长或提高材料的表面密度。然而，这些方法在实际应用中常常遇到重量、体积和成本效益方面的限制。另一种有效的解决方案是使用结构尺寸远小于声波波长的声学超材料，例如亥姆霍兹型[12]、[13]、膜型[14]、[15]和空间弯曲型[16]、[17]等。这些人工设计的亚波长单元格能够实现低频噪声控制[18]。然而，声学超材料也有局限性：大多数超材料仅针对特定低频噪声带，带宽相对较窄；其复杂的微观结构需要极高的制造精度，且加工成本高昂，不利于大规模生产。这些因素限制了声学超材料在工程中的应用。

为了克服这些限制，最近的研究探索了将纳米填料掺入多孔基体中以改善低频噪声降低效果。这种方法可以在不显著增加重量的情况下增强摩擦阻尼。Feng等人[19]发现，用还原氧化石墨烯（rGO）涂覆三聚氰胺泡沫可以增加表面粗糙度和粘性摩擦，从而改善阻尼性能。Shen等人在三聚氰胺泡沫上原位沉积银，提高了整个频率范围内的吸音性能。研究表明，掺入的银颗粒簇增强了流动阻力，从而改善了声学阻尼效果。Hu等人将聚氨酯酰亚胺引入三聚氰胺泡沫，使噪声降低系数（NRC）提高了80%，并进一步使用Johnson-Champoux-Allard（JCA）模型预测了材料的吸音性能并验证了其可靠性。这些成果突显了混合材料设计在优化低频噪声控制方面的潜力，同时保持了实用性。

金属有机框架（MOFs）是一种新型晶体多孔材料，由金属离子或金属簇与含有氧或氮原子的有机配体通过配位键形成。它们有序的多孔结构、高比表面积和优异的化学稳定性使其在气体存储[22]、催化反应[23]、热电材料[24]等领域具有广泛的应用前景。此外，MOFs的特殊性质也使其成为噪声控制的理想选择。Zhang等人[25]通过表面改性技术在棉织物上生长了三种MOFs，使1000–6000 Hz范围内的吸音系数提高了两倍。Fan等人[26]通过静电纺丝将ZIF-8掺入聚丙烯腈（PAN）纤维中，然后与凯夫拉尔交联形成气凝胶。这些经过ZIF-8改性的气凝胶在低频吸音方面表现出显著提升，证明了其在声波衰减中的关键作用。目前，MOFs材料在吸音应用方面的研究仍处于初级阶段，尤其是基于MOFs的复合材料在噪声控制中的应用尚未得到充分探索。

基于这些基础，本研究通过使用盐酸多巴胺（DA）作为界面粘合剂，采用简便的一锅法在三聚氰胺泡沫（MF）上原位生长沸石咪唑框架67（ZIF67），开发出一种新型吸音复合材料。作为天然粘合剂，DA能够通过自聚合作用在泡沫表面形成均匀的涂层，为ZIF67的负载提供了良好的界面结合力。引入ZIF67不仅延长了材料的声波传播路径，还通过其独特的声波阻尼特性改善了吸音性能。这种方法为保持复合材料的轻量化提供了便利，同时提供了出色的宽带吸音效果，为轻质泡沫复合材料的噪声控制提供了实用的设计范例。

材料

市售的三聚氰胺泡沫（MF）由濮阳绿科新材料科技有限公司提供；2-甲基咪唑（2-MI，纯度99%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。盐酸多巴胺（DA）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。去离子水使用实验室水净化系统制备。

ZPM的制备

ZPM的制备过程如图1所示。

ZPM的微观结构

ZPM在室温下制备，其形成机制如图1所示。多巴胺在碱性环境（pH>10）中由2-MI溶液氧化和质子化（见图S3），然后通过分子间迈克尔加成反应进一步聚合形成交联聚合物膜[27]。DA-2-MI水溶液的颜色逐渐变化（无色→棕色→黑色，见图S4），证实了多巴胺的聚合过程。与Co(NO₃)₂·6H₂O溶液混合后，2-MI

结论

本研究通过简便的一锅法制备了ZPM。通过优化孔结构和增加表面粗糙度，该复合材料显著提高了声能耗散能力，表现出优异的噪声控制性能，NRC约为0.64，500 Hz以上的STL超过15 dB。由于表面粗糙度增强了粘弹性阻尼和界面摩擦，材料的吸音和隔热性能得到了提升。

作者贡献声明

张建勋：正式分析。丁远荣：正式分析、数据管理。周晨：正式分析、数据管理。杨勇：撰写-审稿与编辑、正式分析、数据管理。薛洁宇：正式分析、数据管理。黄伟珍：撰写-初稿撰写、正式分析、数据管理。赵若涵：数据管理。肖启月：数据管理

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国纺织工业联合会指导计划（资助编号：2022035）和江苏省科技智库项目（资助编号：JSKX 0125 038）的支持。