拉脹泡沫也稱負泊松比泡沫，具有壓痕阻力大、斷裂韌性好、耐缺口性好、回彈韌性好等優異性能，在聲障、夾心板材、靠墊、保險杠、緊固件、人造血管、人造椎間盤等領域有著廣闊的應用前景。目前，拉脹泡沫材料的制備方法主要有三軸壓縮-加熱法、真空-加熱法、高壓法-加熱法，溶劑輔助的三軸壓縮-加熱法。這些方法或對設備要求較高，或需要高壓、真空條件，均不利于大規模生產。為此，中國科學院長春應用化學研究所唐濤研究員團隊提出了一種無需三軸壓縮設備，且在常壓下制備拉脹泡沫的新方法—蒸汽滲透冷凝(SPC)法(結果發表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 22669-22677)。該方法操作簡單且對設備要求低，綠色環保，適合大規模制備。但是，該方法對聚合物泡沫材料種類的要求較高，不適用于軟化溫度較高(>100°C)的聚合物泡沫。更重要的是，目前已報道拉脹泡沫的制備方法都是基于現有聚合物泡沫的結構轉化，而非直接以聚合物樹脂為原材料直接制備。基于商業聚合物泡沫材料制備的拉脹泡沫其性能的可設計范圍將嚴重受限，目前為止，由聚合物樹脂直接制備成拉脹泡沫仍是一個挑戰。因此，如何從可設計配方的聚合物樹脂直接制備拉脹泡沫具有重要的科學意義和應用價值，這不僅能降低制備拉脹泡沫對聚合物種類的要求，而且將為聚合物拉脹泡沫的功能化和實際應用提供更多的可能性。
近期，該團隊突破了拉脹泡沫只能由常規泡沫（正泊松比）加工轉化的限制，建立了一種從聚合物樹脂直接制備高性能拉脹泡沫的新方法—CO2發泡原位轉化法。該方法綠色、環保，成本低，所制備的尼龍彈性體(NE)拉脹泡沫的泊松比值達到-1.29，具有優異的拉伸循環穩定性和能量吸收性能(圖1)。機理研究證明了NE樹脂發泡后發生原位“凹角”轉化的驅動力由水的相變、空氣與CO2氣體在NE中滲透速率差異兩種因素的協同作用所提供(圖2)，而閉孔結構和適當的冷卻速率是制備這類拉脹泡沫必要條件。
圖1. (a)聚合物拉脹泡沫的制備流程圖; (b) NE拉脹泡沫SEM圖片; (c) NE拉脹泡沫的泊松比與工程應變的關系曲線; (d) 拉伸循環試驗中NE拉脹泡沫泊松比值與循環次數的關系曲線(拉伸應變為10%); (e) 拉脹泡沫和正泊松比(PPR)泡沫的能量吸收值對比曲線。
圖2. CO2發泡原位制備NE拉脹泡沫的機理示意圖。
該團隊進一步通過二次發泡過程，將CO2發泡原位制備的拉脹泡沫轉變成了常規正泊松比泡沫，隨后通過蒸汽滲透冷凝法將其再次轉變為拉脹泡沫(圖3)，實現了閉孔的拉脹泡沫與正泊松比泡沫之間的可逆轉變，為可逆調控聚合物發泡材料的性能和泡孔構造提供了新途徑。另一方面，在滿足制造商需求(不管是拉脹泡沫還是正泊松比泡沫)的前提下，以拉脹泡沫作為發泡材料的“前體”進行儲運，可大幅度的降低常規泡沫由于體積大導致的昂貴運輸成本。
圖3. (a) CO2發泡原位轉化法制備的NE拉脹泡沫的數碼照片(發泡條件：在130℃、10 MPa二氧化碳壓力下飽和3h); (b) 二次發泡處理后NE泡沫的數碼照片; (c)經過SPC處理后的NE拉脹泡沫數碼照片(R為發泡倍率); (d), (e), (f)分別為(a), (b), (c)所示NE泡沫的SEM圖片; (g) NE泡沫的泊松比與工程應變的關系曲線。
采用CO2發泡原位轉化法同樣可以實現由EVA樹脂到拉脹泡沫的一步轉化(圖4)。由此可見，該方法具有一定的普適性。這為今后設計和制備具有特殊功能性的拉脹泡沫材料奠定了基礎。
圖4. (a) CO2發泡原位轉化法制備的EVA泡沫的SEM圖片(發泡條件：在92 ℃、10 MPa二氧化碳壓力下飽和6 h); (b) EVA泡沫的泊松比與工程應變的關系曲線。
以上結果發表在近期的ACS applied materials & interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 48040-48048)上。該論文的第一作者為中國科學院長春應用化學研究所的博士生樊東蕾，通訊作者為中國科學院長春應用化學研究所的李明罡副研究員和唐濤研究員。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c15383
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