利用水的相变热调控聚丙烯发泡材料的泡孔结构

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1、利用水的相变热调控聚丙烯发泡材料的泡孔结构奎逝變东董邱健邢座r姜治伟唐祷高分子物理与化学国家重点实验室中国科学院长春应用化学研宄所为了控制发泡体内部泡孔结构，以制备聚丙烯（PP）泡沫为例，提出在C02作为发泡剂进行物理发泡过程中，以水为助发泡剂，利用其发泡过程中汽化吸热，原位冷却发泡体内部.将PP与聚乙二醇（PEG）熔融共混制备共混物（PP/PEG）,PEG的存在赋予/共混物吸水的能力.采用红外线成像仪测试发泡体表层和芯部温度，利用扫描电子显微镜表征了泡孔结构.结果表明，与纯PP发泡体相比，在同样发泡条件下，PP/PEG共混物发泡体内部温度明显

2、降低，内部与表层泡孔结构相近，且发泡倍率提高.进一步分析讨论了PP/PEG井混物发泡体内部温度明显降低的机理.这种方法适用于不同聚合物体系和不同发泡工艺，如:模压、挤出、釜式发泡工艺.关键词：聚丙烯泡沫;发泡剂;原位冷却;结构调控;姜治伟paredwiththecaseofpurePP.ThemechanismoftheobviousreductionininternaltemperatureofPP/PEGfoamisdiscussed.Thismethodhasauniversality,whichcanbeappliedindiffere

3、ntpolymersystemsanddifferentfoamingprocessessuchasmouldingfoaming,extrusionfoamingandbatchfoaming.Keyword：Polypropylenefoam;Foamingagent;Insitucooling;Structuralcontrol;聚合物发泡材料因其具有质量轻、隔热保温、降噪、吸收冲击能等特性而备受关注.制备聚合物发泡材料的方法，按使用的发泡剂性质可分为化学发泡和物理发泡，按实施工艺主要分为挤出发泡、模压发泡、釜式发泡和注射发泡.物理发泡是

4、采用低沸点的物质作为发泡剂，先将发泡剂溶解在聚合物基体中，再通过升高温度或降低压力实现发泡目前，采用超临界二氧化碳作为物理发泡剂逐渐成为物理发泡的主要方法，这归因于这种制备技术环保，＞1.制品中有机挥发物（VOC）含量很低[3,4].从原理上，任何一种聚合物，只要在发泡过程屮具有适当的变形能力，且能包裹住气体，均可以发泡.通常发泡经历3个过程:泡孔成核、生长和定型.在定型阶段，理想状态是在实现聚合物发泡后能快速固定泡孔结构.针对此问题，已有研宄表明，在C02发泡过程中，当（：02从聚合物基体中析出，导致泡孔壁聚合物熔体黏度增大或变强.依据是溶解

5、C02的聚合物，相对于纯聚合物，其玻璃化温度或熔点降低M.然而，实际制备发泡材料过程屮，采用C02发泡制备聚合物发泡材料，特别是结晶性聚合物（如：聚丙烯（PP）等）进行发泡，无论采用模压发泡还是挤出发泡，所制备的发泡样品厚度均有限，特别是挤出发泡.目前W际上釆用C02挤出发泡，只能制备PP发泡片材，厚度在5醐以下（通常在3〜4mm）.主要原因是若制备厚度大的发泡板材，聚合物发泡的成核与泡孔增长过程相对容易控制，而由于A部热量不能及时移除，泡孔结构的定型相对难以控制.然而,目前报道的研宄主耍侧重于发泡的成核与生长控制，对于泡孔的定型控制问题关注与

6、研究很少.以往通过发泡体外部冷却调控内部温度的方法作用不显著，主要因为发泡体的导热系数很小，传热速率低.最近，有文献报道采用（：02与乙醇、水并用（后两者作为助发泡剂），可以显著改善聚苯乙烯（ps）的发泡性能m.宂其原因，一方面采用混合发泡剂可以改变发泡剂在PS屮的溶解度XM，另一方面可能乙醇和水在发泡过程中起到原位冷却的作用.然而，这些助发泡剂是否真正起到原位冷却的作用还有待证明.如何设计一个材料体系使其自身在发泡过程中能起到原位冷却的作用，进而控制泡孔定型，是一个有待探索的重要问题.对于PP体系，理想的途径是在基体屮引入一种物质，该物质在发

7、泡条件卜能发生相变，选择具有较大吸热的物质成为了关键.尽管多种极性液体具有上述特性，但考虑到被引入物质应该易于引入且对于基体及其发泡制品没有副作用，如:不能给泡沫制品引入VOC.我们认为水是最合适的候选物质.木文通过共混方法将亲水性聚乙二醇（PEG）引入到PP内形成聚合物合金（PP/PEG）,采用水作为助发泡剂的C02模压发泡工艺制备发泡样品，对比分析了PP和PP/PEG共混物发泡样品的泡孔结构差异（具体实验见电子支持信息），分析讨论了水对于泡孔结构的作用，阐明了在发泡过程中水起到的原位冷却作用对泡孔结构的影响.首先对比了纯PP和PP/PEG共

8、混物对于（：02和水的溶解度.由表1可见，在单独C0/气氛下，C02在2个样品的溶解度基本相同;单独水存在下，纯PP的吸水量为0,而PP/PEG共混物