中科院长春应化所唐涛团队 Compos. Part A：高性能氯化聚氯乙烯/聚脲纳米复合泡沫的制备及其升级回收

2023-12-15 来源：高分子科技

随着社会的高速发展，人们对聚合物材料的使用性能提出了更高的要求，同时这些材料引起的环境污染问题也引起了人们越来越多的关注。聚合物材料的全生命周期设计成为了一种有效的解决方案，其中包括实现材料制备过程的节能化、功能应用的高性能化以及服役后的可利用性。为此，近年来，中国科学院长春应用化学研究所唐涛研究员课题组将反应性增塑和反应诱导相分离与超临界CO₂发泡技术相结合，提出了“增塑-发泡-增强”（PFR）结构功能一体化策略，成功制备出兼具高性能和可再加工性的聚氯乙烯/聚脲纳米复合泡沫（Chem. Eng. J. 2022, 450, 138071.）、聚苯醚/聚脲纳米复合泡沫（Compos. Commun. 2023, 40, 101589.）以及苯乙烯-丙烯腈共聚物/聚脲纳米复合泡沫（Compos. Part B 2023, 264, 110908.）。PFR策略不仅可以显著改善聚合物的熔融加工性和超临界发泡性能，而且由于原位形成了独特的纳米级海-岛微相分离结构，所得纳米复合泡沫展现出优异的机械性能、耐溶剂性、形状记忆以及可再加工性，实现了材料结构设计上热塑性与热固性的有机结合。这类轻质高强泡沫材料在航空、航天、舰船、陆上交通运输、建筑等领域具有广阔的应用前景。

氯化聚氯乙烯（CPVC）作为一种应用前景广阔的新型工程塑料，具有比PVC更为出色的综合性能。然而，由于熔体粘度高且热稳定性仍然相对较差，其难以采用超临界发泡制备出轻质、高性能泡沫材料，并且不适于通过机械回收。同时，在化学回收中也容易生成强毒性化合物二噁英的前驱体氯代芳烃化合物。目前，对于PVC等含氯聚合物的化学回收，主要是先利用金属氧化物或强碱脱氯，再通过碳化回收，制备功能性碳材料。然而，低效率以及大量金属残留又带来了新的问题。而且，以上回收方法，都会破坏材料原有的3D微结构。因此，含氯聚合物基材料的全生命周期设计，目前仍面临较大挑战。

针对以上问题，近期，中国科学院长春应化所唐涛研究员课题组采用PFR策略与催化碳化相结合，制备了一种高性能、可升级回收的氯化聚氯乙烯/聚脲（CPVC/PUA）纳米复合泡沫（图1）。一方面，利用多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PMDI）的增塑作用，采用超临界CO₂发泡工艺，在较温和的条件下成功制备具有优异隔热性能的轻质CPVC基泡沫材料（膨胀倍率最高可达62倍）。另一方面，该方案通过PMDI水解交联，在CPVC基体中原位形成纳米尺寸PUA相，使泡沫材料的性能获得提高，实现了高抗压强度的同时，还具有高玻璃化转变温度（最高达176℃）、优异的耐溶剂性以及独特的火焰触发形状记忆行为。此外，由于PUA中的脲基作为氢键供体，可以原位催化CPVC在更低温度下发生交联成碳，因此所得泡沫具有十分出色的本征阻燃性和耐烧蚀性能。这种碳化行为也使得该泡沫材料在服役结束后，可以直接升级回收为具有良好电磁屏蔽性能的功能性碳泡沫，同时可以有效抑制碳化过程中氯代芳烃化合物的形成。该工作以“High-performance chlorinated polyvinyl chloride/polyurea nanocomposite foam with excellent solvent resistance, flame-triggered shape memory effect and its upcycling”为题发表在《Composites Part A》上（Compos. Part A 2024, 177, 107931.）。第一作者为中国科学院长春应化所博士研究生游江岸（2023年12月通过人才引进加入新疆大学化学学院），通讯作者为姜治伟副研究员和唐涛研究员。