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   聚苯乙烯發(fā)泡材料廣泛應(yīng)用于保溫、緩沖包裝、餐飲包裝等多個(gè)領(lǐng)域，聚苯乙烯樹(shù)脂本身具有的特點(diǎn)，如難于環(huán)境降解性、較低的耐溫性、沖擊性能差、加工過(guò)程易產(chǎn)生有毒有害氣體等，影響了聚苯乙烯泡沫材料的加工回收方式，決定了其的應(yīng)用溫度范圍。開(kāi)發(fā)更高耐溫等級(jí)、更優(yōu)沖擊性能的聚合物發(fā)泡材料一直得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。相對(duì)于聚苯乙烯，聚丙烯（PP）具有明顯的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)和耐溫優(yōu)勢(shì)，以及一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，采用超臨界流體連續(xù)擠出發(fā)泡技術(shù)，開(kāi)發(fā)新型PP發(fā)泡材料一直是研究熱點(diǎn)。不過(guò)，通用PP具有低的熔體強(qiáng)度，表現(xiàn)出明顯的拉伸軟化行為，這不利于發(fā)泡；高熔體強(qiáng)度PP具有改善的熔體粘彈行為，但較高的價(jià)格限制其在發(fā)泡領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。如何基于通用PP樹(shù)脂制備PP發(fā)泡材料是這一領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)。 
　　在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，中科院寧波材料所翟文濤副研究員等開(kāi)展了納米粒子調(diào)控PP連續(xù)擠出發(fā)泡機(jī)制的研究。高熔指的均聚PP熔體強(qiáng)度很低，超臨界CO2流體擠出發(fā)泡行為很差，降低擠出機(jī)�？跍囟纫欢ǔ潭壬咸岣吡薖P的熔體強(qiáng)度，但熔體一旦結(jié)晶將會(huì)堵住擠出機(jī)口模，這不但阻礙了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行而瞬間在口模處形成的高壓對(duì)設(shè)備有一定的損害。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在PP中復(fù)合1－5wt％的納米蒙脫土或者納米二氧化硅時(shí)，PP的擠出發(fā)泡行為顯著改善，表現(xiàn)為泡孔結(jié)構(gòu)變得均勻，泡孔密度增加，膨脹倍率提高，發(fā)泡窗口拓寬（Ind. Eng. Chem. Res. 2010. 49, 9834；Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 7282.；Polym. Eng. Sci. 2011, 51, 2387.）。聚合物發(fā)泡過(guò)程主要包括泡孔成核和泡孔增長(zhǎng)過(guò)程。經(jīng)典成核理論一般認(rèn)為：納米粒子與聚合物熔體界面之間的能壘較低，納米粒子周?chē)菀装l(fā)生泡孔成核，這有利于增加發(fā)泡材料的泡孔密度。經(jīng)典成核理論關(guān)注的是熱力學(xué)靜態(tài)過(guò)程，而連續(xù)擠出發(fā)泡更多是熱力學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬等方法，研究者發(fā)現(xiàn)，惰性粒子在聚合物熔體流場(chǎng)中會(huì)在其周?chē)T導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)波動(dòng)；相當(dāng)運(yùn)動(dòng)越大時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)波動(dòng)越大。研究者認(rèn)為：納米粒子周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)變化影響了泡孔成核能壘，這是納米粒子影響泡孔成核的機(jī)制（Ind Eng Chem Res, 2010, 49,12783.）。  
　　改善成核過(guò)程并不能保證所形成的氣核都能在泡孔增長(zhǎng)階段“存活”下來(lái)，尤其對(duì)于PP這種低熔體強(qiáng)度的樹(shù)脂，泡孔增長(zhǎng)過(guò)程所產(chǎn)生的雙向拉伸作用可以把泡孔壁拉斷，而發(fā)生泡孔聚并過(guò)程，這顯著降低了發(fā)泡材料的泡孔密度和膨脹程度。 
　　為了定量說(shuō)明納米粒子作用于聚合物發(fā)泡的機(jī)制，研究人員采用聚合物發(fā)泡過(guò)程原位觀察系統(tǒng)（圖1），通過(guò)檢測(cè)泡孔尺寸隨時(shí)間的變化規(guī)律，定量計(jì)算了泡孔壁在泡孔增長(zhǎng)過(guò)程中受到的拉伸速率可以高達(dá)20－130s－1。相應(yīng)地，研究人員通過(guò)拉伸流變儀測(cè)得，0.1－1s-1的拉伸速率就可以讓聚合物/碳納米管熔體發(fā)生明顯的應(yīng)變硬化；而不加碳納米管時(shí)，熔體不會(huì)發(fā)生應(yīng)變硬化（Polym. Eng. Sci. 2012, 52, 2078-2089.）。上述結(jié)果使研究人員有理由認(rèn)為，聚合物納米復(fù)合材料發(fā)泡過(guò)程時(shí)，納米粒子的存在可能會(huì)顯著影響聚合物熔體的粘彈性，使之適于發(fā)泡。通過(guò)電鏡照片等直觀研究手段，研究人員發(fā)現(xiàn)碳納米管發(fā)生了沿泡孔壁的取向（圖2）。泡孔增長(zhǎng)過(guò)程調(diào)控實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步地表明，碳納米管的存在有利于泡孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。寧波材料所研究人員關(guān)于納米粒子取向調(diào)控PP發(fā)泡機(jī)制的研究工作得到國(guó)際同行認(rèn)可，分別受邀在美國(guó)工程學(xué)會(huì)的網(wǎng)站上撰寫(xiě)一個(gè)短綜述（SPE Plastics Research Online, 2012, 10.1002/spepro.004263.）和撰寫(xiě)了英文著作的一個(gè)章節(jié)（“Chapter 3- Extrusion foaming of polypropylene/clay nanocomposite foams” in Polymer Nanocomposite Foams, Vikas Mittal, Taylor & Francis Group, 2013.） 
　　  
    納米粒子賦予通用PP改善的超臨界CO2連續(xù)擠出發(fā)泡行為，但所制備的發(fā)泡材料存在開(kāi)孔率高的問(wèn)題，這影響了PP發(fā)泡材料的下游應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，研究者往往采用釜壓發(fā)泡技術(shù)，利用結(jié)晶提高PP熔體強(qiáng)度的機(jī)制，制備高閉孔率的PP發(fā)泡材料，如PP發(fā)泡粒子（EPP）。EPP作為粒子形態(tài)的發(fā)泡材料，經(jīng)常需要通過(guò)水蒸氣成型工藝來(lái)制備大尺寸的成型體才能使用，EPP發(fā)泡粒子在水蒸氣成型過(guò)程中的粘結(jié)強(qiáng)度直接決定材料的力學(xué)性能。研究人員通過(guò)DSC模擬等手段，研究了國(guó)外公司商品化EPP珠粒熱行為的演變規(guī)律；同時(shí)，結(jié)合EPP成型體的力學(xué)性能，揭示了EPP珠粒熱粘結(jié)的可能機(jī)制。這種機(jī)制在于，EPP發(fā)泡粒子中存在一個(gè)明顯的雙重熔融峰，其中高溫熔融峰對(duì)應(yīng)的晶區(qū)用于穩(wěn)定發(fā)泡結(jié)構(gòu)，使之在熱成型過(guò)程中不至于坍陷，而低熔融峰對(duì)應(yīng)晶區(qū)的熔融和再結(jié)晶提供可以擴(kuò)散的分子鏈和實(shí)現(xiàn)粘結(jié)（Ind. Eng. Chem. Res. 2010. 49. 9822.；Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 5523.）。寧波材料所研究人員通過(guò)釜壓發(fā)泡技術(shù)，成功制備了帶有雙重甚至多重熔融峰的EPP珠粒（Ind. Eng. Chem. Res. 2013, 52, 5655.），并驗(yàn)證了它們?cè)贓PP水蒸氣成型中的重要作用。