生物炭接枝黄麻纤维增强的聚氨酯复合泡沫材料，具有复杂的、多维的孔隙声学结构

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Biochar-grafted jute fibers reinforced polyurethane composite foams with tortuous multidimensional poroacoustic pathways

设计兼具机械强度和宽频吸声性能的轻质多孔材料，同时避免增加厚度或密度，是当前研究的热点。本研究通过在聚氨酯泡沫（PUF）基体中复合微米级0D生物炭和大分子量1D黄麻纤维，形成多尺度交互网络结构，在常规发泡工艺中实现层次孔隙调控。实验表明，优化配比（生物炭:黄麻纤维=5:1）可使泡沫压缩强度提升177%（0.99→2.74 kPa），热分解温度提高5.1℃（378.6→383.7℃），吸声系数从0.123提升至0.296。该工艺通过调整填料含量精准控制预混液流变学特性，进而调控泡沫孔结构 openness（0.62→0.85）和孔径分布（50-200 μm主峰）。天然材料的商业可及性和工艺简化（发泡时间<5分钟）显著提升了工业化应用潜力。

　　

Gong Eunsu | Choo James Sangmin | Na Jinsoo | Ryoo Geunwoong | Jo Young In | Sun Jeong-Yun | Yu Woong-Ryeol | Kwon Min Sang | Nam Ki Tae | Park Juhyuk

韩国首尔国立大学材料科学与工程系，首尔08826

摘要

人们一直在积极研究如何设计出既具有机械强度又能实现宽带吸音效果的泡沫，同时不显著增加其厚度或密度。为了进一步提高这种多功能性，最近的研究探索了精确设计的层次化和多尺度多孔结构。然而，这些结构的实际应用往往受到加工复杂性和可扩展性限制。为了实现层次化多孔结构，本研究将具有互补形态和长度尺度的填料结合到泡沫中。这种方法无需复杂工艺即可形成层次化多孔结构。具体而言，将微米级的0D生物炭和宏观级的1D黄麻纤维加入到聚氨酯泡沫（PUF）系统中。在多元醇预混液中，这两种填料形成了一个多维相互作用网络。通过改变发泡过程中的填料含量来调控3D多孔结构，从而控制孔隙开口度和孔径大小。系统地表征了预混液的流变性能，并将其与发泡过程中的微观结构演变及最终性能进行了关联。优化后的黄麻纤维-生物炭比例泡沫相比传统PUF，在机械强度、热稳定性和吸音性能方面都有显著提升，这得益于层次化多孔结构以及两种填料的互补强化作用。具体来说，压缩强度从0.99 kPa提高到2.74 kPa，峰值分解温度从378.6 °C提高到383.7 ℃，降噪系数从0.123提高到0.296，表明声学性能得到了改善。总体而言，本研究表明，结合具有多维尺度的天然填料是一种可扩展的方法，可用于控制层次化孔隙结构并制备出适用于环保噪声控制的多功能聚氨酯泡沫。

引言

轻质聚合物泡沫在交通、建筑和其他工业领域的需求日益增加[1]、[2]、[3]。它们的蜂窝状结构本质上具有低密度，可以减少材料使用量和生产成本，同时提高能源效率。除了这些经济效益外，聚合物泡沫还具有多功能性，因为它们的多孔框架提供了高比表面积和可控的传输路径。为了满足特定应用的需求，必须调整聚合物材料的微观结构以实现所需的性能[4]、[5]。在这方面，聚氨酯泡沫（PUFs）因其可调的微观结构和易于加工的特性而成为有吸引力的基体系统[6]。然而，PUFs和其他蜂窝状泡沫在同时实现宽带吸音和机械强度的同时保持低密度时，常常面临内在的权衡。尽管增加泡沫厚度或密度可以提高整体性能，但这些变化不可避免地会增加组件质量，并通常提高制造和运营成本[7]、[8]。因此，在不牺牲低密度的前提下优化功能对于实际应用至关重要。

因此，以往的研究通过添加纳米填料（如石墨烯[9]、二氧化硅[10]、碳纳米管[11]）、添加增强纤维（如芳纶[12]、玻璃[13]、纤维素[14]）或修改泡沫结构本身[15]来改善聚合物泡沫的声学和机械性能。最近，人们越来越多地采用多尺度结构元素，以设计出更精确的多功能结构[16]。例如，Shen等人通过原位银沉积和冷冻干燥碳纳米纤维网络，在三聚氰胺泡沫中构建了跨越微米和纳米尺度的层次化孔隙[17]。这种设计增加了流体阻力，从而实现了宽带吸音效果，并提高了压缩强度。Oh等人在开孔PU支架中形成了有序的波浪形石墨烯晶格或无序的网状晶格，制备了层次化多孔石墨烯聚氨酯泡沫[18]。有序晶格使降噪系数从0.166提高到0.518，10%应变下的压缩应力从1.9 kPa提高到18.72 kPa。Wang等人通过两步气体吸附发泡制备了孔隙梯度PBAT泡沫：首先在高压N₂下生成细小孔隙，然后通过时间控制的不完全CO₂吸附在泡沫中形成贯穿厚度的气体梯度[19]。这种梯度泡沫在2000至4000 Hz范围内达到了0.83的峰值吸音系数，并使回弹韧性提高了74%。

总体而言，结合不同尺寸或同时引入微纳尺度孔隙的填料的方法在以往研究中得到了广泛应用。这些设计减轻了单一结构吸收体的条件敏感性，扩展了设计自由度，从而同时改善了吸音和机械性能。然而，许多方法依赖于复杂的结构工程和后处理来构建层次化结构。这种整体工艺复杂性增加了制造的重复性和成本，最终阻碍了工业化生产。因此，未来的研究需要简单且可重复的制造策略，能够在不进行复杂化学修饰或后处理的情况下实现填料的界面稳定和泡沫中层次化多孔结构的形成。

在这项工作中，我们的多维度增强策略将微米级的0D生物炭颗粒和宏观级的1D黄麻纤维与泡沫本身的定制3D多孔结构相结合（图1a）。生物炭是一种通过生物质热解产生的多孔碳质材料，作为一种环保填料受到关注，有望替代昂贵的碳纳米填料[20]。黄麻纤维是一种从黄麻茎中提取的天然纤维，主要由纤维素和木质素组成，广泛用于复合材料的增强成分[21]、[22]。生物炭和黄麻纤维的表面含有含氧官能团，可以通过氢键在多元醇体系中促进多维相互作用网络的形成。基于此，我们设计了促进微米级生物炭颗粒附着在黄麻纤维表面的工艺。这种纤维间的结构抑制了颗粒聚集，使得制备的泡沫具有均匀的填料分布，无需额外的复杂处理。

通过选择具有不同长度尺度和形态的填料，这种方法能够在保持简单和可扩展的加工流程的同时实现层次化多孔结构。发泡过程遵循传统的混合-发泡程序，几分钟内即可完成。此外，这两种填料都有成熟的商业供应链支持，确保了稳定的大规模采购[23]、[24]。它们的生物质来源和低成本进一步支持了工业应用的经济可行性。

此外，我们分析了多元醇预混液的流变行为，并将其与发泡过程中的微观结构演变联系起来。通过成分调整，系统地控制了孔隙开口度和孔径分布，以确定最佳的填料比例并最大化多功能性能。结果表明，与传统PUF相比，混合泡沫在机械强度、热稳定性和吸音性能方面都有显著提升。在相同的加工条件下使用大型模具进行发泡实验，获得了具有高重复性的均匀泡沫（图S1）。这些结果证明了所提出工艺的可扩展性和制造可重复性，适用于工业应用。综上所述，本研究提供了一种可扩展且环保的增强方法，用于设计层次化结构的聚氨酯复合泡沫，并强调了多维天然填料系统作为下一代可持续多孔材料的实用设计平台。

化学物质和材料

聚醚型多元醇由PUCIS有限公司（韩国）提供，其中含有作为化学发泡剂的水和异氰酸酯。多元醇混合物由95%的分子量为6000、官能度为3的多元醇以及5%的分子量为1000、官能度为2的多元醇组成。在该系统中，发泡剂含量为3.8 wt%，发泡催化剂为0.2 wt%，凝胶催化剂为1.2 wt%。黄麻纤维（JF）来自Alam Fiber公司

多维复合泡沫的设计

所提出的多维聚氨酯复合泡沫（PUCFs）通过整合多个长度尺度上的互补增强材料来设计（图1a）。具体而言，结合了微米级的0D生物炭颗粒、宏观级的1D黄麻纤维以及固有的3D多孔框架，以最大化结构-性能的协同效应。

0D生物炭具有多孔碳质结构和高的比表面积，能够附着在聚合物细胞壁上，从而增强应力传递

结论

在这项研究中，我们设计了具有层次化多孔结构的PUCFs，通过整合互补的多维填料实现了多功能性能。通过系统地改变填料含量，有效调节了多元醇预混液的粘度，进而控制了泡沫的三维微观结构。此外，在超声处理过程中，氢键的重排使生物炭能够接枝到碱处理过的黄麻纤维表面

未引用的参考文献

[25]。

CRediT作者贡献声明

Eunsu Gong：撰写——原始草稿、方法论、数据管理、概念化。James Sangmin Choo：撰写——原始草稿、方法论、数据管理、概念化。Jinsoo Na：形式分析。Geunwoong Ryoo：形式分析。Young In Jo：形式分析。Jeong-Yun Sun：资源管理、形式分析。Woong-Ryeol Yu：资源管理、形式分析。Min Sang Kwon：资源管理、形式分析。Ki Tae Nam：资源管理、形式分析。Juhyuk Park：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了首尔国立大学的新教师创业基金、韩国政府（科学技术部，MSIT）资助的韩国国家研究委员会（NST）项目（GTL25021-000）、韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）项目（RS-2025-23523900）以及韩国政府（教育部）资助的韩国基础科学研究所（国家研究设施和设备中心）项目的支持