在全球所倡导的节能和减碳理念下，具有轻质、隔热和高强度特性的硬质聚合物泡沫在风电、交通和建筑等领域备受青睐。聚合物泡沫可分为热塑（TP）泡沫（如聚丙烯泡沫、聚乙烯泡沫）和热固（TS）泡沫（如环氧泡沫、酚醛泡沫）。通用的TP泡沫易于再加工回收利用，但泡沫机械性能相对较弱，而高性能的TP（如聚苯醚）作为泡沫基体则面临加工和发泡两方面的困难。尽管TS泡沫因其优异的耐热性、耐溶剂性和高强度而受到越来越多的关注，但由于其存在交联结构，从而导致材料难以回收利用。超临界二氧化碳（sc-CO2）物理发泡工艺绿色环保，备受关注。然而，对于聚氯乙烯（PVC）等熔体粘度高且热稳定性差的TP聚合物以及环氧等TS聚合物，利用sc-CO2发泡工艺制备相应的高发泡倍率的硬质泡沫存在较大的困难。进一步，采用sc-CO2发泡工艺制备兼具这两类聚合物优点的超轻质TP/TS共混物泡沫，尽管具有重要的理论意义和应用价值，但显然将面临更大挑战。
近期，中科院长春应化所唐涛研究员团队建立了“增塑-发泡-增强”（Plasticizing-Foaming-Reinforcing，缩写为PFR）一体化策略（图1），以sc-CO2为发泡剂制备可回收、高性能的TP/TS共混物泡沫。以五大通用树脂之一的PVC和交联聚脲为例, 适量的聚脲交联单体（CMs）增塑PVC形成PVC/CMs共混物，可有效改善PVC的加工性能和发泡性能，且与传统化学发泡方法制备的硬质PVC合金泡沫相比，PFR策略所得PVC/聚脲共混泡沫具有更高发泡倍率和更小泡孔尺寸的特征，因此这种泡沫具有优异的隔热性能以及出色的机械强度，尤其是在低温环境下。同时，由于固化后泡孔壁中形成以聚脲为分散相、PVC为连续相的海-岛微相分离结构，赋予了PVC/聚脲共混物泡沫优异的形状记忆功能以及可热加工回收特性。这项工作为开发绿色制备高性能聚合物泡沫的新技术奠定了理论基础。由于出色的隔热性能和优异的结构强度，尤其是在低温下表现出的强韧性，这类超轻泡沫将在航空、航天、舰船、陆上交通运输、建筑等领域具有广阔的应用前景。该工作以“A “Plasticizing-Foaming-Reinforcing” approach for creating thermally insulating PVC/polyurea blend foams with shape memory function”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（Chem. Eng. J. 2022, 450, 138071）。中科院长春应化所二年级博士生游江岸为文章第一作者，姜治伟副研究员和唐涛研究员为共同通讯作者。
图1.使用“增塑-发泡-增强”（PFR）策略制备TP/TS（以PVC/聚脲为例）共混物泡沫的过程示意图。
图2. PVC/CMs共混物的热机械特性以及sc-CO2发泡行为：PVC/CMs共混物的（a）tan δ、（b）η*曲线以及（c-d）CO2溶解度与饱和时间的关系曲线；PFR策略制备的PVC/聚脲共混物泡沫（c-PVC-50-M1）的（e-f）发泡倍率以及（g-h）泡孔结构；（i）传统化学发泡制备的硬质PVC合金泡沫（c-PVC-50-M2）的泡孔结构。
图3. PVC/聚脲共混物泡沫的机械性能: (a) c-PVC-50-M1泡沫与c-PVC-50-M2泡沫以及文献中报告的其它硬质泡沫压缩强度（在室温下）的比较；(b) 泡沫分别在25℃和经浸入液氮处理后进行压缩的应力-应变曲线（压缩速率500 mm min-1）；(c)压缩后泡沫的光学照片：(I) c-PVC-50-M1(32 kg m-3)，(II) c-PVC-50-M2 (30 kg m-3)和(III)商业硬质聚氨酯（PUR）泡沫 (36 kg m-3)。
图4. PVC/聚脲共混物泡沫的隔热性能：(a) c-PVC-50-M1的数码照片；(b) 厚度为5 mm的c-PVC-50-M1的热成像图像；(c) c-PVC-50-M1和 (d) c-PVC-50-M2 的固体热导率、气体热导率、辐射热导率和实测有效热导率；(e) 本工作制备的 PVC/聚脲共混泡沫与文献中报道的其他复合泡沫的热导率比较。
图5. PVC/聚脲共混物泡沫的形状设计和形状记忆性能：(a) PVC/CMs共混物泡沫在室温下具有好的柔性，可被扭曲和弯曲；(b) 风车形PVC/聚脲共混物泡沫的制备过程；(c) 拱形PVC/聚脲共混物泡沫的制备过程以及可支撑起17公斤铁块，并且拱形结构能够保持完好；(d) 圆柱形 PVC/聚脲共混泡沫的制备过程以及可支撑起119.95公斤实验者重量，并且圆柱结构能够保持完好；(e) PVC/聚脲共混泡沫的形状记忆行为：将固定的环形 (I) 在140°C的烘箱中弯曲成临时的弓形 (II) 并冷却至室温以固定形状，然后 (III) 弓形可以在140°C的烘箱中可恢复至环形；(f) 弓形泡沫在140 °C 的烘箱中恢复至环形泡沫的过程。
上述工作是该团队近年来关于高性能硬质PVC合金发泡材料相关研究的最新进展之一。在PVC合金泡沫的前期研究中，该团队还发现环氧树脂的加入可以有效调控交联网络结构，提高PVC泡沫的剪切韧性（Compos. Sci. Technol., 2014, 97, 74–80; J. Appl. Polym. Sci., 2014, 131, 40567）；针对功能化PVC合金泡沫开发，发现加入遮光剂作为填料时，红外反射型遮光剂（如铝粉、铜粉）比红外吸收型遮光剂（如石墨）能更有效提高泡沫的隔热性能（Compos. Sci. Technol., 2021, 203, 108566），而铜粉与氧化钼的组合实现了泡沫隔热和阻燃性能的同步提升（Adv. Eng. Mater., 2021, 2100858）。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138071
下载：A “Plasticizing-Foaming-Reinforcing” approach for creating thermally insulating PVC/polyurea blend foams with shape memory function
