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近年來綜合性能優(yōu)異、可回收易降解的聚丙烯發(fā)泡材料已成為泡沫塑料家族中的“新寵”，是聚合物泡沫材料中增長速度最快的品種。超臨界二氧化碳（CO2）發(fā)泡聚合物技術是制備聚丙烯微孔發(fā)泡材料的關鍵核心技術，近日華東理工大學化工學院趙玲教授團隊在該技術領域取得了實質性突破，成功開發(fā)了高性能聚丙烯微孔發(fā)泡材料綠色制備過程的優(yōu)化和強化技術。
聚合物發(fā)泡有物理發(fā)泡劑和化學發(fā)泡劑兩大類?；瘜W發(fā)泡劑存在化學殘留、發(fā)泡過程難控制和不易獲得高發(fā)泡倍率等缺點；物理發(fā)泡劑中的氟氯烴類則對臭氧層有破壞作用，已逐漸被禁止和限制使用；而一些新型氟碳氫化合物的全球變暖潛能值仍相對較高，烷烴類發(fā)泡劑則易燃燒不安全。相比這些傳統(tǒng)的發(fā)泡劑，超臨界CO2發(fā)泡聚合物技術作為綠色制造技術，已被工信部列入我國優(yōu)先發(fā)展的產業(yè)關鍵共性技術，而且CO2進入聚合物后會引起熔點、表面張力和黏度下降、結晶行為改變等一系列變化，可以制備微孔甚至納米泡孔材料。
聚丙烯是結晶聚合物，低溫固態(tài)發(fā)泡受結晶限制，很難制備高發(fā)泡倍率產品；高溫發(fā)泡聚合物熔體強度不夠無法保持完整泡孔，可操作窗口窄。因此，大規(guī)模制造具有穩(wěn)定均勻泡孔形貌和外形尺寸的高發(fā)泡倍率微孔材料難度大。
為了攻克這一難題，趙玲團隊聯(lián)合無錫會通、中石化北化院、浙江新恒泰、鎮(zhèn)海煉化等單位，在合適物料體系、可控工藝過程和高效工業(yè)裝備等方面開展了超臨界CO2發(fā)泡聚丙烯的優(yōu)化、強化和工程化等系列工作，形成了“適合超臨界CO2發(fā)泡的聚丙烯專用料”“分步/分段發(fā)泡新工藝”“優(yōu)化構建流場結構實現高效規(guī)模制備”三大技術創(chuàng)新。
趙玲介紹，在低于流動溫度的可變形區(qū)發(fā)泡，既可突破結晶的制約，又能保證發(fā)泡材料微孔結構和外形尺寸穩(wěn)定成型?；谶@一發(fā)泡機制，他們開發(fā)了兼具較寬發(fā)泡溫度窗口和較強的CO2溶解擴散能力的聚丙烯發(fā)泡專用料，以及能改善泡孔結構和表觀形態(tài)的新型功能助劑/添加劑。CO2變壓飽和提高了過程效率和發(fā)泡倍率，氣泡成核和生長的分段實施減小了高壓設備體積；同時釜壓發(fā)泡、模壓發(fā)泡等高壓設備和聚合物預成型體的結構優(yōu)化設計，保證了均勻的壓力場、溫度場和速度場，實現了低密度聚丙烯微孔發(fā)泡材料的規(guī)模制造和柔性生產。
利用上述創(chuàng)新技術，項目團隊建設了2套年產3萬立方米模壓發(fā)泡裝置，實現了低密度聚丙烯微孔厚板的世界領先制造；新建了4套、優(yōu)化改造了3套年產4萬~6萬立方米的釜壓發(fā)泡裝置，生產效率提高25%，成品率提高到99%以上，發(fā)泡專用料已在鎮(zhèn)海煉化生產，2016~2018年新增產值3.31億元、利稅1.09億元。此外，該團隊已獲得授權發(fā)明專利8件、實用新型專利8件；相關研究成果發(fā)表了46篇SCI/EI收錄論文。
趙玲表示，超臨界CO2模壓發(fā)泡技術通用性強，除聚丙烯外，還可用于聚氨酯彈性體微孔發(fā)泡材料的生產，多種熱塑性聚合物及其復合材料的中試已經完成。采用該技術生產的聚丙烯發(fā)泡專用料，除可應用于汽車零部件和內飾、緩沖包裝等傳統(tǒng)領域，還可滿足兒童玩具、食品、醫(yī)療、家居用品等領域對綠色材料的需求。由于微孔賦予了聚丙烯獨特的性能，聚丙烯微孔發(fā)泡材料還可應用于更多的新興領域，如新能源汽車動力電池墊片、5G通信微波中繼天線罩、高檔汽車音響振膜、防彈衣背板等。
