在全球所倡導的節能和減碳理念下，具有輕質、隔熱和高強度特性的硬質聚合物泡沫在風電、交通和建筑等領域備受青睞。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，但泡沫機械性能相對較弱，而高性能的TP（如聚苯醚）作為泡沫基體則面臨加工和發泡兩方面的困難。盡管TS泡沫因其優異的耐熱性、耐溶劑性和高強度而受到越來越多的關注，但由于其存在交聯結構，從而導致材料難以回收利用。超臨界二氧化碳（sc-CO2）物理發泡工藝綠色環保，備受關注。然而，對于聚氯乙烯（PVC）等熔體粘度高且熱穩定性差的TP聚合物以及環氧等TS聚合物，利用sc-CO2發泡工藝制備相應的高發泡倍率的硬質泡沫存在較大的困難。進一步，采用sc-CO2發泡工藝制備兼具這兩類聚合物優點的超輕質TP/TS共混物泡沫，盡管具有重要的理論意義和應用價值，但顯然將面臨更大挑戰。
近期，中科院長春應化所唐濤研究員團隊建立了“增塑-發泡-增強”（Plasticizing-Foaming-Reinforcing，縮寫為PFR）一體化策略（圖1），以sc-CO2為發泡劑制備可回收、高性能的TP/TS共混物泡沫。以五大通用樹脂之一的PVC和交聯聚脲為例, 適量的聚脲交聯單體（CMs）增塑PVC形成PVC/CMs共混物，可有效改善PVC的加工性能和發泡性能，且與傳統化學發泡方法制備的硬質PVC合金泡沫相比，PFR策略所得PVC/聚脲共混泡沫具有更高發泡倍率和更小泡孔尺寸的特征，因此這種泡沫具有優異的隔熱性能以及出色的機械強度，尤其是在低溫環境下。同時，由于固化后泡孔壁中形成以聚脲為分散相、PVC為連續相的海-島微相分離結構，賦予了PVC/聚脲共混物泡沫優異的形狀記憶功能以及可熱加工回收特性。這項工作為開發綠色制備高性能聚合物泡沫的新技術奠定了理論基礎。由于出色的隔熱性能和優異的結構強度，尤其是在低溫下表現出的強韌性，這類超輕泡沫將在航空、航天、艦船、陸上交通運輸、建筑等領域具有廣闊的應用前景。該工作以“A “Plasticizing-Foaming-Reinforcing” approach for creating thermally insulating PVC/polyurea blend foams with shape memory function”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上（Chem. Eng. J. 2022, 450, 138071）。中科院長春應化所二年級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-發泡-增強”（PFR）策略制備TP/TS（以PVC/聚脲為例）共混物泡沫的過程示意圖。
圖2. PVC/CMs共混物的熱機械特性以及sc-CO2發泡行為：PVC/CMs共混物的（a）tan δ、（b）η*曲線以及（c-d）CO2溶解度與飽和時間的關系曲線；PFR策略制備的PVC/聚脲共混物泡沫（c-PVC-50-M1）的（e-f）發泡倍率以及（g-h）泡孔結構；（i）傳統化學發泡制備的硬質PVC合金泡沫（c-PVC-50-M2）的泡孔結構。
圖3. PVC/聚脲共混物泡沫的機械性能: (a) c-PVC-50-M1泡沫與c-PVC-50-M2泡沫以及文獻中報告的其它硬質泡沫壓縮強度（在室溫下）的比較；(b) 泡沫分別在25℃和經浸入液氮處理后進行壓縮的應力-應變曲線（壓縮速率500 mm min-1）；(c)壓縮后泡沫的光學照片：(I) c-PVC-50-M1(32 kg m-3)，(II) c-PVC-50-M2 (30 kg m-3)和(III)商業硬質聚氨酯（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 的固體熱導率、氣體熱導率、輻射熱導率和實測有效熱導率；(e) 本工作制備的 PVC/聚脲共混泡沫與文獻中報道的其他復合泡沫的熱導率比較。
圖5. PVC/聚脲共混物泡沫的形狀設計和形狀記憶性能：(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) 風車形PVC/聚脲共混物泡沫的制備過程；(c) 拱形PVC/聚脲共混物泡沫的制備過程以及可支撐起17公斤鐵塊，并且拱形結構能夠保持完好；(d) 圓柱形 PVC/聚脲共混泡沫的制備過程以及可支撐起119.95公斤實驗者重量，并且圓柱結構能夠保持完好；(e) PVC/聚脲共混泡沫的形狀記憶行為：將固定的環形 (I) 在140°C的烘箱中彎曲成臨時的弓形 (II) 并冷卻至室溫以固定形狀，然后 (III) 弓形可以在140°C的烘箱中可恢復至環形；(f) 弓形泡沫在140 °C 的烘箱中恢復至環形泡沫的過程。
上述工作是該團隊近年來關于高性能硬質PVC合金發泡材料相關研究的最新進展之一。在PVC合金泡沫的前期研究中，該團隊還發現環氧樹脂的加入可以有效調控交聯網絡結構，提高PVC泡沫的剪切韌性（Compos. Sci. Technol., 2014, 97, 74–80; J. Appl. Polym. Sci., 2014, 131, 40567）；針對功能化PVC合金泡沫開發，發現加入遮光劑作為填料時，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現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
