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  拉脹泡沫也稱負(fù)泊松比泡沫，具有壓痕阻力大、斷裂韌性好、耐缺口性好、回彈韌性好等優(yōu)異性能，在聲障、夾心板材、靠墊、保險杠、緊固件、人造血管、人造椎間盤等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，拉脹泡沫材料的制備方法主要有三軸壓縮-加熱法、真空-加熱法、高壓法-加熱法，溶劑輔助的三軸壓縮-加熱法。這些方法或?qū)υO(shè)備要求較高，或需要高壓、真空條件，均不利于大規(guī)模生產(chǎn)。為此，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所唐濤研究員團隊提出了一種無需三軸壓縮設(shè)備，且在常壓下制備拉脹泡沫的新方法—蒸汽滲透冷凝(SPC)法(結(jié)果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 22669-22677)。該方法操作簡單且對設(shè)備要求低，綠色環(huán)保，適合大規(guī)模制備。但是，該方法對聚合物泡沫材料種類的要求較高，不適用于軟化溫度較高(>100°C)的聚合物泡沫。更重要的是，目前已報道拉脹泡沫的制備方法都是基于現(xiàn)有聚合物泡沫的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，而非直接以聚合物樹脂為原材料直接制備�；谏虡I(yè)聚合物泡沫材料制備的拉脹泡沫其性能的可設(shè)計范圍將嚴(yán)重受限，目前為止，由聚合物樹脂直接制備成拉脹泡沫仍是一個挑戰(zhàn)。因此，如何從可設(shè)計配方的聚合物樹脂直接制備拉脹泡沫具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，這不僅能降低制備拉脹泡沫對聚合物種類的要求，而且將為聚合物拉脹泡沫的功能化和實際應(yīng)用提供更多的可能性。

  近期，該團隊突破了拉脹泡沫只能由常規(guī)泡沫（正泊松比）加工轉(zhuǎn)化的限制，建立了一種從聚合物樹脂直接制備高性能拉脹泡沫的新方法—CO₂發(fā)泡原位轉(zhuǎn)化法。該方法綠色、環(huán)保，成本低，所制備的尼龍彈性體(NE)拉脹泡沫的泊松比值達(dá)到-1.29，具有優(yōu)異的拉伸循環(huán)穩(wěn)定性和能量吸收性能(圖1)。機理研究證明了NE樹脂發(fā)泡后發(fā)生原位“凹角”轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力由水的相變、空氣與CO₂氣體在NE中滲透速率差異兩種因素的協(xié)同作用所提供(圖2)，而閉孔結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)睦鋮s速率是制備這類拉脹泡沫必要條件。

圖1. (a)聚合物拉脹泡沫的制備流程圖; (b) NE拉脹泡沫SEM圖片; (c) NE拉脹泡沫的泊松比與工程應(yīng)變的關(guān)系曲線; (d) 拉伸循環(huán)試驗中NE拉脹泡沫泊松比值與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(拉伸應(yīng)變?yōu)?0%); (e) 拉脹泡沫和正泊松比(PPR)泡沫的能量吸收值對比曲線。

圖2. CO₂發(fā)泡原位制備NE拉脹泡沫的機理示意圖。

  該團隊進一步通過二次發(fā)泡過程，將CO₂發(fā)泡原位制備的拉脹泡沫轉(zhuǎn)變成了常規(guī)正泊松比泡沫，隨后通過蒸汽滲透冷凝法將其再次轉(zhuǎn)變?yōu)槔浥菽?圖3)，實現(xiàn)了閉孔的拉脹泡沫與正泊松比泡沫之間的可逆轉(zhuǎn)變，為可逆調(diào)控聚合物發(fā)泡材料的性能和泡孔構(gòu)造提供了新途徑。另一方面，在滿足制造商需求(不管是拉脹泡沫還是正泊松比泡沫)的前提下，以拉脹泡沫作為發(fā)泡材料的“前體”進行儲運，可大幅度的降低常規(guī)泡沫由于體積大導(dǎo)致的昂貴運輸成本。

圖3. (a) CO₂發(fā)泡原位轉(zhuǎn)化法制備的NE拉脹泡沫的數(shù)碼照片(發(fā)泡條件：在130℃、10 MPa二氧化碳壓力下飽和3h); (b) 二次發(fā)泡處理后NE泡沫的數(shù)碼照片; (c)經(jīng)過SPC處理后的NE拉脹泡沫數(shù)碼照片(R為發(fā)泡倍率); (d), (e), (f)分別為(a), (b), (c)所示NE泡沫的SEM圖片; (g) NE泡沫的泊松比與工程應(yīng)變的關(guān)系曲線。

  采用CO₂發(fā)泡原位轉(zhuǎn)化法同樣可以實現(xiàn)由EVA樹脂到拉脹泡沫的一步轉(zhuǎn)化(圖4)。由此可見，該方法具有一定的普適性。這為今后設(shè)計和制備具有特殊功能性的拉脹泡沫材料奠定了基礎(chǔ)。

圖4. (a) CO₂發(fā)泡原位轉(zhuǎn)化法制備的EVA泡沫的SEM圖片(發(fā)泡條件：在92 ℃、10 MPa二氧化碳壓力下飽和6 h); (b) EVA泡沫的泊松比與工程應(yīng)變的關(guān)系曲線。

  以上結(jié)果發(fā)表在近期的ACS applied materials & interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 48040-48048)上。該論文的第一作者為中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的博士生樊東蕾，通訊作者為中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的李明罡副研究員和唐濤研究員。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c15383