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寧波材料所在Chemical Engineering Journal上發表綜述“聚合物微發泡材料泡孔結構變化及一般規律”
作者:,日期:2022-03-23

  發泡是實現輕量化和節能減排的重要手段,聚合物發泡材料廣泛應用于汽車、建筑、包裝、運動器材等領域,2021年全球發泡材料市場規模達939億美元。設計新結構是驅動材料創新的源頭,泡孔結構調控承載著推動發泡材料創新、功能化應用和高性能化等重要使命。因此,深入認識泡孔結構的變化類型和規律,對于開發高性能聚合物發泡材料具有重要學術和應用價值。中國科學院寧波材料技術與工程研究所高分子先進加工團隊鄭文革研究員和龐永艷研究員長期致力于聚合物發泡材料泡孔結構調控機制及功能化應用研究,在雙峰泡孔、微納泡孔、交替多層、高開孔等泡孔結構調控及應用方面取得了系統研究成果(Polymer 2021, 237, 124386; ACS Appl. Polym. Mater. 2021, 3, 2687-2693; Polymer 2020, 209, 123061; Ind. Eng. Chem. Res. 2020, 59, 11340-11349; Polymer 2019, 166, 63-71; J. Supercrit. Fluids 2016, 110, 65-74等)。

  近期,鄭文革研究員、龐永艷研究員與加拿大多倫多大學Chul B. Park教授合作發表了題為“A comprehensive review of cell structure variation and general rules for polymer microcellular foams”的綜述論文(Chem. Eng. J. 2022, 430, 132662),系統總結了聚合物微發泡材料泡孔結構的變化類型和規律。

  綜述論文共分為五個部分,介紹了決定泡孔結構的三個最主要因素(泡孔尺寸、泡孔密度、膨脹倍率),闡述了根據三因素的增大或減小分類得到的六種泡孔結構變化類型隨相關調節因素的變化關系,探討了泡孔結構與性能(包括力學和隔熱)的關系,提出了關于泡孔結構調控的一些規律性認識,指出了值得進一步深入研究的問題。

  透過紛繁復雜的現象總結和凝練規律是科學研究的基本要求??偨Y泡孔結構的變化規律有助于精準設計和調控泡孔結構,并為高性能聚合物發泡材料的開發提供理論指導。泡孔尺寸、泡孔密度和膨脹倍率是決定泡孔結構的三個最主要因素。調控泡孔結構時,改變任何一個調節因素(變量),都可能引起泡孔尺寸、泡孔密度和膨脹倍率的增大或減小。因此,對三個因素的增大或減小進行排列組合,可得到8種泡孔結構變化類型(表1)。其中,泡孔尺寸和泡孔密度都增大時,膨脹倍率不可能減??;同理,泡孔尺寸和泡孔密度都減小時,膨脹倍率不可能增大。因此,第7和第8兩種變化類型是不可能存在的,實際存在的只有第1至第6六種。

  對于第1和第4,雖然三個因素均增大或均減小的情況是存在的,但是這兩種變化類型對觀察尺度要求比較高,導致實際觀察到的實例相對較少。因此,最常見的變化類型是第2、第3、第5和第6四種。以納米粒子含量和發泡溫度作為調節因素為例,簡要介紹這四種泡孔結構變化類型及結構轉變,將有助于清晰理解泡孔調控的基本方法和一般規律。當納米粒子含量適度增加時,體系氣泡異相成核增強,因此,泡孔密度增大、泡孔尺寸減小、膨脹倍率增大,泡孔結構變化類型為第2種;當納米粒子含量進一步增加時,雖然體系氣泡異相成核增強,泡孔密度增大,但由于較大的納米粒子含量增大了體系的硬度,限制了泡孔生長,導致泡孔尺寸減小、膨脹倍率減小,泡孔結構變化類型轉變為第6種。當發泡溫度適度提高時,泡孔生長的驅動力增大,因此,泡孔尺寸增大、泡孔密度減小、膨脹倍率增大,泡孔結構變化類型為第3種;當發泡溫度進一步提高時,體系的熔體強度降低,泡孔出現明顯聚并,導致泡孔尺寸增大、泡孔密度減小、膨脹倍率減小,泡孔結構變化類型轉變為第5種。

  本研究獲得了浙江省公益技術應用研究計劃項目(LGG19E030003)和寧波市科技創新2025重大專項(2018B10013)的資助。

表1 聚合物微發泡材料泡孔結構的變化類型

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