目前全球能源消耗的一半都用于取暖和制冷，并且极度依赖化石能源，能源消耗问题已经备受关注。隔热材料通过减少材料使用和降低能量耗散来提高能源效率，具有出色的经济和环境效益，已经在越来越多的行业得到应用，如日常生活中的取暖保温、制冷保温，以及航空航天领域对低温液氧、液氮的存储等。

常见的隔热材料主要有热反射材料、真空绝热板和泡沫材料等。其中，泡沫材料由于制备方便、适用范围广而备受关注。当泡沫材料的孔尺寸小于1 mm时，样品中气体的热对流可以被忽略。因此，对于同种基体的微米级孔结构泡沫材料，降低其热传导成为提高制品隔热性能的关键。

因为泡沫内部填充了空气，所以泡沫材料的热传导进一步分为泡孔内空气对热量的传导和孔壁对热量的传导。由于基体材料的热导率远大于空气的热导率，为降低泡沫材料的总热导率，减小基体材料的体积分数，即增大泡沫的发泡倍率，是一种有效的方法。

超临界流体物理发泡技术由于其环境友好、工艺条件温和被用作制备轻质聚合物泡沫材料，并受到越来越多的关注。在超临界流体发泡过程中，提高聚合物的发泡倍率可以通过增加泡孔成核密度来实现。

然而，利用饱和压力的增加来提高泡孔成核密度的成本较高，需要消耗更多的能源，且在高压下泡孔尺寸的减小往往抵消了成核密度增大的效果，这导致泡沫样品的发泡倍率很难进一步提高。超声波是一种频率大于20 kHz的机械波，在聚合物熔体加工领域被广泛使用，如降解聚合物、分散纳米颗粒、改善纳米颗粒的界面性能等。

超声波已被应用于辅助聚合物熔融挤出发泡，其导致的空化效应会使介质中产生许多空化泡，且可以通过降低泡孔成核能垒来增加泡孔密度，进而调节发泡倍率。然而，由于超声波在超临界流体中传播较弱，产生空化的能力有限，因此在釜压发泡过程中引入超声不能有效提高泡孔成核密度以及样品发泡倍率。

近期，MPGPL团队在超声辅助超临界CO₂发泡过程中引入水作为超声波的传播介质，提出了一种提高聚合物泡沫发泡倍率的新方法，这种超轻、超低导热泡沫在隔热领域有很好的应用前景。

图1 PS/PMMA泡沫的形貌

在这项工作中，复合泡沫的密度最低为0.0135 g/cm³，对应的发泡倍率约为80倍，远高于市售的PS发泡样品（约50倍）。其热导率低至25.98 mW/m‧K，非常接近稳态室温空气的热导率（25 mW/m‧K）。作者认为，在高压腔体中加入水有利于超声波的传播，并可以起到共发泡剂的效果。超声波使聚合物分子链产生振动，其导致的空化效应也会使水分子、CO₂分子对聚合物分子链产生撞击，可促进泡孔的成核和生长。

图2 不同条件下制备的PS/PMMA/CNTs复合泡沫的（a）密度，（b）发泡倍率和（c）热导率

因此，超声波和水可以产生协同效应，共同作用于超临界CO₂发泡过程，突破超临界CO₂发泡制备高倍率泡沫材料的瓶颈。这项工作为制备具有优异隔热性能的轻质聚合物微孔泡沫提供了一条新途径。

相关研究已获得中国发明专利授权2项，并分别以“Ultrasound and H₂O assisted scCO₂ foaming technology for preparation of PS/PMMA composite foams with ultra-lightweight and super thermal-insulation”为题发表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊，以“Super thermal-insulation PS/PMMA/CNTs composite foams with shape recovery property formed by the synergy of ultrasound and H₂O in scCO₂ foaming”为题发表在《Composites Science and Technology》期刊。论文的第一作者为四川大学高分子科学与工程学院的硕士研究生杨亚光，通讯作者为廖霞研究员。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107527

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110343