科学Tang丨预置泡孔-后二氧化碳发泡，构建多峰泡孔结构弹性体泡沫

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2024-05-21 / 行业新闻

弹性体泡沫是一种轻而软的材料，因其优异的弹性、吸能、隔热和隔音能力而在日常生活中得到广泛应用。近年来，研究人员设计了非单一泡孔形貌的弹性体泡沫，如泡孔尺寸双峰分布、梯度分布、交替多层分布、泡孔壁褶皱结构，以赋予泡沫优越的性能或满足特定的需求。

据报道，通常泡孔尺寸为双峰分布的聚合物泡沫膨胀率更高，吸音、隔热和机械性能更好。因此，泡孔尺寸双峰分布的弹性体泡沫引起了业界和学术界的广泛关注，开发一种简易且广泛适用的方法将尺寸双峰分布的泡孔引入到弹性体泡沫中是至关重要的。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所郑文革研究员团队提出了一种制备特定泡孔直径双峰分布或多峰分布弹性体泡沫的方法。研究人员首先使用烯烃嵌段共聚物（OBC）进行研究。OBC是热塑性弹性体的一种，其拥有优异的回弹性、耐候性、良好的永久压缩变形性和显著增强的耐热性。

在二氧化碳发泡前，预先让偶氮二甲酰胺（AC发泡剂）分解，引入预发泡结构，仅使用此方法即可提前设计泡孔形貌，无需与其它方法联用，制得特殊泡孔形貌（泡孔尺寸双峰分布、梯度分布或“三明治”夹层分布）的泡沫。调节AC添加量、预热压时间、二氧化碳饱和压力、发泡温度可调控泡孔形貌。相比于泡孔尺寸单峰分布的样品（FOBC），双峰分布的样品（FPOBC）拥有更高的膨胀倍率（从11.3提升至16）、更优异的回弹率（提高了14%）和更低的能量损失系数（下降了17%）。此工艺同时可适用于EVA、POE及EPDM弹性体。

该研究以“Customized Multimodal Cellular Elastomer Foams through Presetting Cells before CO2 Foaming”为题发表在《ACS Applied Polymer Materials》期刊。文章第一作者为 Zheng Hao，通讯作者为黄朋科副研究员和刘晓玲副教授。

双峰分布OBC泡沫的制备流程

如图1所示，（1）OBC珠粒先在120 ℃密炼机内软化2 min，再加入过氧化物交联剂双[1-(叔丁基过氧)-1-甲基乙基]苯（BIBP）、预发泡剂偶氮二甲酰胺（AC）、预发泡剂活化剂氧化锌（ZnO）和硬脂酸锌（ZnSt）、润滑剂硬脂酸（St）共混6 min，取出后在室温冷却并储存24 h。（2）采用5 mm模具在190 ℃、10 MPa压板5 min以上，此时AC发泡剂分解释放气体，从模具中取出迅速浸入冷水冷却。（3）OBC或POBC在高压仓中以不同温度、不同压力用二氧化碳饱和2 h。充分饱和后在2秒内迅速泄压并冷却到室温。

图1.预先引入泡孔，后通过二氧化碳发泡，构建特定泡孔尺寸双峰分布的OBC泡沫的制备流程示意图。

POBC形貌

如图2所示，AC分解产生预引入的泡孔周围为未发泡的实心区域，其形貌受AC含量和热压时间影响。AC比例增多，POBC中预引入的泡孔在基体中所占比例上升（从约22%升至约60%），POBC密度下降（从0.74降至0.40 g/cm³）。但是如图2b所示，POBC的密度以及其之中预引入泡孔所占空间百分比不随热压时间变化。其中，随着热压时间的延长，POBC0.1和POBC0.3中预引入泡孔的尺寸增加、数量下降。调节AC含量和热压时间，制得的预引入泡孔直径范围约141至850 μm。

图2.AC含量和热压时间对预引入泡孔形貌的影响：（a）不同热压时间（6、8、10 min），不同AC含量（0.05、0.1、0.3 phr）下所制备的预引入泡孔的POBC形貌。（b，c）POBC密度、预引入泡孔所占百分比、尺寸和预引入气泡密度与AC含量和热压时间的关系。

FPOBC形貌

如图3a,b所示，110 ℃、10 MPa二氧化碳发泡下，所得泡沫泡孔尺寸呈双峰分布，大泡孔周围分布着小泡孔，大泡孔与小泡孔尺寸相差1个数量级以上。图3c展示了POBC发泡前后的微观形貌。

图3.110 ℃、10 MPa下所制备的FOBC（OBC发泡后所得到的泡沫）和FPOBC（预引入不同泡孔的POBC发泡后所得到的泡沫）的（a）光学照片，SEM图像和（b）泡孔直径出现频率分布图。（c）发泡前后POBC0.05-10、POBC0.1-10、POBC0.3-10的SEM图像。

适用范围的扩充以及特殊结构泡沫的制备

图4a说明该方法同样适用于POE、EPDM和EVA，形成了尺寸双峰分布的泡孔。此外，采用某种方法，还可制得大泡孔尺寸梯度分布（FPOBC0.3-G）或“三明治”夹层结构（FPOBC0.3-S）的泡沫，结果如图4b所示。FPOBC0.3-G中，大泡孔的直径沿泡沫厚度方向为288至1021 μm，周围的小泡孔直径平均为66 μm。FPOBC0.3-S中，所夹内层的泡孔直径约为233 μm，外层所含的大泡孔和小泡孔直径分别平均为796 μm和82 μm。