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中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所唐濤團(tuán)隊(duì) Compos. Part A：高性能氯化聚氯乙烯/聚脲納米復(fù)合泡沫的制備及其升級(jí)回收

2023-12-15 來(lái)源：高分子科技

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)聚合物材料的使用性能提出了更高的要求，同時(shí)這些材料引起的環(huán)境污染問題也引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。聚合物材料的全生命周期設(shè)計(jì)成為了一種有效的解決方案，其中包括實(shí)現(xiàn)材料制備過程的節(jié)能化、功能應(yīng)用的高性能化以及服役后的可利用性。為此，近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所唐濤研究員課題組將反應(yīng)性增塑和反應(yīng)誘導(dǎo)相分離與超臨界CO₂發(fā)泡技術(shù)相結(jié)合，提出了“增塑-發(fā)泡-增強(qiáng)”（PFR）結(jié)構(gòu)功能一體化策略，成功制備出兼具高性能和可再加工性的聚氯乙烯/聚脲納米復(fù)合泡沫（Chem. Eng. J. 2022, 450, 138071.）、聚苯醚/聚脲納米復(fù)合泡沫（Compos. Commun. 2023, 40, 101589.）以及苯乙烯-丙烯腈共聚物/聚脲納米復(fù)合泡沫（Compos. Part B 2023, 264, 110908.）。PFR策略不僅可以顯著改善聚合物的熔融加工性和超臨界發(fā)泡性能，而且由于原位形成了獨(dú)特的納米級(jí)海-島微相分離結(jié)構(gòu)，所得納米復(fù)合泡沫展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能、耐溶劑性、形狀記憶以及可再加工性，實(shí)現(xiàn)了材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上熱塑性與熱固性的有機(jī)結(jié)合。這類輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫材料在航空、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。

氯化聚氯乙烯（CPVC）作為一種應(yīng)用前景廣闊的新型工程塑料，具有比PVC更為出色的綜合性能。然而，由于熔體粘度高且熱穩(wěn)定性仍然相對(duì)較差，其難以采用超臨界發(fā)泡制備出輕質(zhì)、高性能泡沫材料，并且不適于通過機(jī)械回收。同時(shí)，在化學(xué)回收中也容易生成強(qiáng)毒性化合物二噁英的前驅(qū)體氯代芳烴化合物。目前，對(duì)于PVC等含氯聚合物的化學(xué)回收，主要是先利用金屬氧化物或強(qiáng)堿脫氯，再通過碳化回收，制備功能性碳材料。然而，低效率以及大量金屬殘留又帶來(lái)了新的問題。而且，以上回收方法，都會(huì)破壞材料原有的3D微結(jié)構(gòu)。因此，含氯聚合物基材料的全生命周期設(shè)計(jì)，目前仍面臨較大挑戰(zhàn)。

針對(duì)以上問題，近期，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所唐濤研究員課題組采用PFR策略與催化碳化相結(jié)合，制備了一種高性能、可升級(jí)回收的氯化聚氯乙烯/聚脲（CPVC/PUA）納米復(fù)合泡沫（圖1）。一方面，利用多亞甲基多苯基多異氰酸酯（PMDI）的增塑作用，采用超臨界CO₂發(fā)泡工藝，在較溫和的條件下成功制備具有優(yōu)異隔熱性能的輕質(zhì)CPVC基泡沫材料（膨脹倍率最高可達(dá)62倍）。另一方面，該方案通過PMDI水解交聯(lián)，在CPVC基體中原位形成納米尺寸PUA相，使泡沫材料的性能獲得提高，實(shí)現(xiàn)了高抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，還具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（最高達(dá)176℃）、優(yōu)異的耐溶劑性以及獨(dú)特的火焰觸發(fā)形狀記憶行為。此外，由于PUA中的脲基作為氫鍵供體，可以原位催化CPVC在更低溫度下發(fā)生交聯(lián)成碳，因此所得泡沫具有十分出色的本征阻燃性和耐燒蝕性能。這種碳化行為也使得該泡沫材料在服役結(jié)束后，可以直接升級(jí)回收為具有良好電磁屏蔽性能的功能性碳泡沫，同時(shí)可以有效抑制碳化過程中氯代芳烴化合物的形成。該工作以“High-performance chlorinated polyvinyl chloride/polyurea nanocomposite foam with excellent solvent resistance, flame-triggered shape memory effect and its upcycling”為題發(fā)表在《Composites Part A》上（Compos. Part A 2024, 177, 107931.）。第一作者為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所博士研究生游江岸（2023年12月通過人才引進(jìn)加入新疆大學(xué)化學(xué)學(xué)院），通訊作者為姜治偉副研究員和唐濤研究員。