中科院宁波材料所郑文革研究员团队：I&EC Research|超临界CO₂发泡获得柔软和抗收缩的聚烯烃弹性体/反式聚辛烯轻质泡沫

英文原题：Supercritical CO2 Foaming of Lightweight Polyolefin Elastomer/trans-Polyoctylene Rubber Composite Foams with Extra-Soft and Anti-Shrinkage Performance

通讯作者：黄朋科 副研究员，赵永青 高级工程师，中科院宁波材料所；许琳琼 副教授，宁波大学

作者：Chengxin Gong (龚成鑫), Hao Zheng* (郑皓), Pengke Huang* (黄朋科), Linqiong Xu (许琳琼), Yaozhuo Su (苏耀卓), Wenge Zheng (郑文革), Yongqing Zhao* (赵永青)

近些年来，轻量、舒适的弹性体泡沫是工业界和学术界关注的热点之一，被广泛应用于医疗设备和体育用品等领域。不同于传统的热固性橡胶，热塑性弹性体（TPE）具有橡胶的高弹性特征和热塑性塑料的可加工特征。其中，聚烯烃热塑性弹性体（POE）是一种常见的无规热塑性共聚物，具有高弹性、高强度、高伸长率等特性。在POE内部引入微孔结构不仅能够减少材料使用量和用料成本，而且可以改善材料的缓冲性能、隔热保温和吸音等性能。但是POE的链段运动能力强，熔体强度差，在发泡过程中常面临严重的收缩和发泡窗口窄等问题。

近日，中科院宁波材料所郑文革研究员团队和宁波大学许琳琼副教授通过超临界CO2发泡技术，合作开发了具有柔软、抗收缩特性的POE/TOR轻质泡沫。研究学者选用分子量相对较低且具有不饱和双键的反式聚辛烯橡胶（TOR）对POE进行共混改性，进而调节材料的交联网络和交联程度，以期调控材料的微孔结构和扩大其发泡温度窗口，并且揭示弹性体泡沫膨胀倍率、微孔结构与力学性能间的构效关系，相关的制备流程见图1。

图1. POE/TOR复合弹性体泡沫的制备流程示意图

交联程度对弹性体的发泡行为和力学性能有很大影响，可通过索式抽提实验获取凝胶率数据来定性表征弹性体的交联程度。如图2所示，未交联POE在50 ℃的甲苯中浸泡后完全溶解，而交联后的POE（100P样品）凝胶率为32.1%，加入TOR后复合材料的凝胶率得到了大幅提高，如90P-10T样品的凝胶率比100P样品的要高25.8%。这是因为具有双键的TOR更容易与含有自由基的长链发生交联反应，形成交联网络，从而促进弹性体的交联反应。

图2. POE/TOR复合材料（a-b）在甲苯处理后的凝胶含量和光学照片，（c）交联机理示意图

膨胀倍率是评价聚合物泡沫的一个重要指标。如图3a所示，POE/TOR复合材料的发泡倍率随温度呈典型的“山峰状”分布，这是因为聚合物熔体强度过低/过高会导致泡孔生长困难/气体逃逸。值得注意的是引入TOR后，交联网络的构筑有利于改善弹性体的发泡窗口。图3b展示了POE/TOR弹性体发泡后膨胀倍率随时间的变化关系，所制备的弹性体泡沫均展示出不同程度的收缩回复现象。其中，F90P-10T样品初始膨胀倍率为22.4倍，而在80分钟后会收缩至5.7倍，然后再慢慢回复稳定在22.1倍，其回复率可以达到91.3%。图3c还统计对比了不同发泡法所制备POE复合泡沫的密度，而本工作所制备轻质弹性体泡沫的密度可低至0.036 g/cm3，能够为低密度弹性体泡沫提供新的制备思路。

图3. POE/TOR复合泡沫的发泡行为：（a）发泡倍率随发泡温度的变化，（b）膨胀倍率随放置时间的变化，（c）对比文献报道POE基泡沫的密度，（d）轻质POE基泡沫的照片

软硬程度对弹性体泡沫的终端应用和感官触感至关重要。根据经典的Gibson-Ashby模型，随着密度的降低，硬度会随之减小，说明材料会由硬变软。如图4所示，采用硬度计（邵C）来定量表示弹性体软硬程度随密度的变化关系，当材料硬度处于50之下时，属于软质泡沫材料。当弹性体泡沫低于0.040 g/cm3时，其硬度值低于10，属于超软泡沫，可以轻松地被扭曲、折叠、压缩、拉伸和弯曲，同时动作结束后能轻松地回复到原始形状。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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