多孔塑料因其低密度、高孔隙度、隔音、隔熱等優(yōu)異性能而被廣泛用于交通、航空航天、個人防護等領(lǐng)域。多孔塑料的孔結(jié)構(gòu)（包括孔隙度、孔徑大小及其分布、孔形狀等）對其性能有著重要影響。然而，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和性能優(yōu)化的角度，目前的多孔塑料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于骨骼和木材等天然多孔材料。這主要是由于多孔塑料的傳統(tǒng)致孔方法在孔結(jié)構(gòu)的多樣性調(diào)控方面還存在局限。
針對這一挑戰(zhàn)，柏浩課題組開發(fā)了一種乳液冰模板法，用于制備孔結(jié)構(gòu)和成分在空間分布上更多樣的多孔塑料。相比于傳統(tǒng)的發(fā)泡方法，以冰為模板，具有環(huán)保、安全的優(yōu)點。更重要的是，通過設(shè)計溫度場和化學(xué)組成，可以賦予多孔塑料豐富的孔形貌（如仿木取向結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)等）和多性能。此外，該方法適用于不同的樹脂單體，也可與功能納米材料復(fù)合。所制備的新型多孔塑料在眾多工程領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。
這一方法主要包含單體乳液的定向冷凍、低溫聚合以及室溫解凍干燥等步驟（如圖1）。
圖1. 乳液冰模板法制備多孔塑料的過程示意圖。
傳統(tǒng)冰模板法往往只適用于可溶解和分散于水中的體系。這一研究將冰模板法的適用范圍拓展到了疏水聚合物材料體系。此外，通過室溫干燥替代冷凍干燥，可以更方便地制備大尺寸樣品，并降低能耗，使該技術(shù)具有工業(yè)化應(yīng)用前景。
該團隊在顯微鏡下原位觀察了乳液液滴在定向冷凍條件下的組裝、聚并和低溫聚合過程。系統(tǒng)研究了乳化劑類型和用量、乳液液滴尺寸等對多孔塑料孔壁缺陷和性能的影響。
通過溫度場設(shè)計，該團隊制備了具有多種復(fù)雜孔結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分布的多孔塑料，展示了該方法的優(yōu)越性和可拓展性（圖2）。
圖2. 采用乳液冰模板法制備的多孔塑料的形貌及化學(xué)組成多樣性。
例如，通過特殊的冷凍方式，成功制備了具有負(fù)泊松比性質(zhì)的多孔塑料，并初步展示了這類材料在吸能方面的應(yīng)用。
以上成果發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 2001222)上。博士生李德文為第一作者，柏浩研究員為通訊作者，其他作者包括羅英武教授、碩士生卜曉辰和博士后許宗溥。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金（51722306, 51603182, 21674098），國家重點研發(fā)計劃（2017YFC1103900），中央高？蒲袠I(yè)務(wù)費（2018XZZX002-15），以及化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室（SKL-ChE-20T06）的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202001222
