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中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所唐濤研究員團(tuán)隊(duì) CEJ：綠色制備可回收、高性能熱塑/熱固共混物泡沫新策略
2022-07-20  來(lái)源：高分子科技

  在全球所倡導(dǎo)的節(jié)能和減碳理念下，具有輕質(zhì)、隔熱和高強(qiáng)度特性的硬質(zhì)聚合物泡沫在風(fēng)電、交通和建筑等領(lǐng)域備受青睞。聚合物泡沫可分為熱塑（TP）泡沫（如聚丙烯泡沫、聚乙烯泡沫）和熱固（TS）泡沫（如環(huán)氧泡沫、酚醛泡沫）。通用的TP泡沫易于再加工回收利用，但泡沫機(jī)械性能相對(duì)較弱，而高性能的TP（如聚苯醚）作為泡沫基體則面臨加工和發(fā)泡兩方面的困難。盡管TS泡沫因其優(yōu)異的耐熱性、耐溶劑性和高強(qiáng)度而受到越來(lái)越多的關(guān)注，但由于其存在交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致材料難以回收利用。超臨界二氧化碳（sc-CO2）物理發(fā)泡工藝綠色環(huán)保，備受關(guān)注。然而，對(duì)于聚氯乙烯（PVC）等熔體粘度高且熱穩(wěn)定性差的TP聚合物以及環(huán)氧等TS聚合物，利用sc-CO2發(fā)泡工藝制備相應(yīng)的高發(fā)泡倍率的硬質(zhì)泡沫存在較大的困難。進(jìn)一步，采用sc-CO2發(fā)泡工藝制備兼具這兩類聚合物優(yōu)點(diǎn)的超輕質(zhì)TP/TS共混物泡沫，盡管具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，但顯然將面臨更大挑戰(zhàn)。


  近期，中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所唐濤研究員團(tuán)隊(duì)建立了“增塑-發(fā)泡-增強(qiáng)”（Plasticizing-Foaming-Reinforcing，縮寫(xiě)為PFR）一體化策略（圖1），以sc-CO2為發(fā)泡劑制備可回收、高性能的TP/TS共混物泡沫。以五大通用樹(shù)脂之一的PVC和交聯(lián)聚脲為例, 適量的聚脲交聯(lián)單體（CMs）增塑PVC形成PVC/CMs共混物，可有效改善PVC的加工性能和發(fā)泡性能，且與傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)泡方法制備的硬質(zhì)PVC合金泡沫相比，PFR策略所得PVC/聚脲共混泡沫具有更高發(fā)泡倍率和更小泡孔尺寸的特征，因此這種泡沫具有優(yōu)異的隔熱性能以及出色的機(jī)械強(qiáng)度，尤其是在低溫環(huán)境下。同時(shí)，由于固化后泡孔壁中形成以聚脲為分散相、PVC為連續(xù)相的海-島微相分離結(jié)構(gòu)，賦予了PVC/聚脲共混物泡沫優(yōu)異的形狀記憶功能以及可熱加工回收特性。這項(xiàng)工作為開(kāi)發(fā)綠色制備高性能聚合物泡沫的新技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。由于出色的隔熱性能和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是在低溫下表現(xiàn)出的強(qiáng)韌性，這類超輕泡沫將在航空、航天、艦船、陸上交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該工作以“A “Plasticizing-Foaming-Reinforcing” approach for creating thermally insulating PVC/polyurea blend foams with shape memory function”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上（Chem. Eng. J. 2022, 450, 138071）。中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所二年級(jí)博士生游江岸為文章第一作者，姜治偉副研究員和唐濤研究員為共同通訊作者。


圖1.使用“增塑-發(fā)泡-增強(qiáng)”（PFR）策略制備TP/TS（以PVC/聚脲為例）共混物泡沫的過(guò)程示意圖。


圖2. PVC/CMs共混物的熱機(jī)械特性以及sc-CO2發(fā)泡行為：PVC/CMs共混物的（a）tan δ、（b）η*曲線以及（c-d）CO2溶解度與飽和時(shí)間的關(guān)系曲線；PFR策略制備的PVC/聚脲共混物泡沫（c-PVC-50-M1）的（e-f）發(fā)泡倍率以及（g-h）泡孔結(jié)構(gòu)；（i）傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)泡制備的硬質(zhì)PVC合金泡沫（c-PVC-50-M2）的泡孔結(jié)構(gòu)。


圖3. PVC/聚脲共混物泡沫的機(jī)械性能: (a) c-PVC-50-M1泡沫與c-PVC-50-M2泡沫以及文獻(xiàn)中報(bào)告的其它硬質(zhì)泡沫壓縮強(qiáng)度（在室溫下）的比較；(b) 泡沫分別在25℃和經(jīng)浸入液氮處理后進(jìn)行壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（壓縮速率500 mm min-1）；(c)壓縮后泡沫的光學(xué)照片：(I) c-PVC-50-M1(32 kg m-3)，(II) c-PVC-50-M2 (30 kg m-3)和(III)商業(yè)硬質(zhì)聚氨酯（PUR）泡沫 (36 kg m-3)。

圖4. PVC/聚脲共混物泡沫的隔熱性能：(a) c-PVC-50-M1的數(shù)碼照片；(b) 厚度為5 mm的c-PVC-50-M1的熱成像圖像；(c) c-PVC-50-M1和 (d) c-PVC-50-M2 的固體熱導(dǎo)率、氣體熱導(dǎo)率、輻射熱導(dǎo)率和實(shí)測(cè)有效熱導(dǎo)率；(e) 本工作制備的 PVC/聚脲共混泡沫與文獻(xiàn)中報(bào)道的其他復(fù)合泡沫的熱導(dǎo)率比較。


圖5. PVC/聚脲共混物泡沫的形狀設(shè)計(jì)和形狀記憶性能：(a) PVC/CMs共混物泡沫在室溫下具有好的柔性，可被扭曲和彎曲；(b) 風(fēng)車形PVC/聚脲共混物泡沫的制備過(guò)程；(c) 拱形PVC/聚脲共混物泡沫的制備過(guò)程以及可支撐起17公斤鐵塊，并且拱形結(jié)構(gòu)能夠保持完好；(d) 圓柱形 PVC/聚脲共混泡沫的制備過(guò)程以及可支撐起119.95公斤實(shí)驗(yàn)者重量，并且圓柱結(jié)構(gòu)能夠保持完好；(e) PVC/聚脲共混泡沫的形狀記憶行為：將固定的環(huán)形 (I) 在140°C的烘箱中彎曲成臨時(shí)的弓形 (II) 并冷卻至室溫以固定形狀，然后 (III) 弓形可以在140°C的烘箱中可恢復(fù)至環(huán)形；(f) 弓形泡沫在140 °C 的烘箱中恢復(fù)至環(huán)形泡沫的過(guò)程。


  上述工作是該團(tuán)隊(duì)近年來(lái)關(guān)于高性能硬質(zhì)PVC合金發(fā)泡材料相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。在PVC合金泡沫的前期研究中，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂的加入可以有效調(diào)控交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高PVC泡沫的剪切韌性（Compos. Sci. Technol., 2014, 97, 74–80; J. Appl. Polym. Sci., 2014, 131, 40567）；針對(duì)功能化PVC合金泡沫開(kāi)發(fā)，發(fā)現(xiàn)加入遮光劑作為填料時(shí)，紅外反射型遮光劑（如鋁粉、銅粉）比紅外吸收型遮光劑（如石墨）能更有效提高泡沫的隔熱性能（Compos. Sci. Technol., 2021, 203, 108566），而銅粉與氧化鉬的組合實(shí)現(xiàn)了泡沫隔熱和阻燃性能的同步提升（Adv. Eng. Mater., 2021, 2100858）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138071


  下載：A “Plasticizing-Foaming-Reinforcing” approach for creating thermally insulating PVC/polyurea blend foams with shape memory function

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