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發布時間：2021-12-23 01:24:57
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日常生活中，當人們購買兒童玩具、家具用品等塑料制品時，都會十分在意其材質是否無毒無味、綠色環保，近年來綜合性能優異、可回收的聚丙烯發泡材料已成為泡沫塑料家族中的“新寵”，日益受到熱捧，是聚合物泡沫材料中增長速度快的品種。超臨界CO2（二氧化碳）發泡聚合物技術是制備聚丙烯微孔發泡材料的關鍵核心技術。在5月19日召開的上海市科技獎勵大會上，華東理工大學化工學院趙玲教授領銜的“高性能聚丙烯微孔發泡材料綠色制備過程的優化和強化”項目斬獲科技進步獎一等獎。跳轉閱讀→化工醫藥企業HR注意啦，這里有近千位化學化工醫藥專業的海內外本碩博畢業生等你招聘~聚丙烯微孔發泡鎖定新材料發展重點領域布局綠色制造新技術輕量化材料已是我國新材料發展重點領域，發泡則是實現聚合物輕量化的直接手段。隨著航天航空、國防、能源、交通、包裝、電器、運動器械等行業的快速發展，對具有優異機械性能和絕熱、隔音、絕緣、緩沖等特性的聚合物發泡材料需求越來越迫切。聚丙烯作為產量大、增長量快、應用領域廣泛的五大通用熱塑性樹脂之一，其高品質發泡材料的綠色制備一直是聚合物發泡領域的熱點與難點。2016年，由華東理工大學牽頭申報的國家重點研發計劃“重點基礎材料技術提升與產業化”重點專項項目——“聚合物材料的輕量化技術”獲準立項。該項目所聚焦的正是運用綠色高效發泡工藝，開展聚合物輕量化的應用基礎—共性技術—產業化示范的“一條鏈式”研發工作。據趙玲介紹，聚合物發泡有物理發泡劑和化學發泡劑兩大類。化學發泡劑常常存在化學殘留、發泡過程難控制和不易獲得高發泡倍率等缺點；物理發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；一些新型氟碳氫化合物的全球變暖潛能值仍相對較高或價格昂貴，烷烴類發泡劑則易燃燒不安全。相比傳統發泡劑影響氣候、火災危險、有害殘留以及VOC排放等問題和弊端，超臨界流體，特別是超臨界CO2發泡聚合物是綠色制造技術，被工信部列入我國優先發展的產業關鍵共性技術，而且CO2進入聚合物后會引起熔點、表面張力和粘度下降、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，低溫固態發泡受結晶限制，很難制備高發泡倍率產品；高溫發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，大規模制造具有穩定均勻泡孔形貌和外形尺寸的高發泡倍率微孔材料難度大。為了攻克這一難題，近年來，華理趙玲團隊聯合無錫會通、中石化北化院、浙江新恒泰、鎮海煉化等單位，在合適物料體系、可控工藝過程和高效工業裝備等方面開展了超臨界CO2發泡聚丙烯的優化、強化和工程化等系列工作，形成了“適合超臨界CO2發泡的聚丙烯專用料”“分步/分段發泡新工藝”“優化構建流場結構實現高效規模制備”等三大技術創新優勢：根據在低于其流動溫度的可變形區發泡既可以突破結晶的制約又能保證發泡材料微孔結構和外形尺寸的穩定成型這一發泡機制，開發了兼具較寬發泡溫度窗口和較強的CO2溶解擴散能力的聚丙烯發泡專用料，以及能有效改善泡孔結構和表觀形態的新型功能助劑/添加劑；CO2變壓飽和提高了過程效率和發泡倍率，氣泡成核和生長的分段實施大幅減小了高壓設備體積；釜壓發泡、模壓發泡等高壓設備和聚合物預成型體的結構優化設計保證了均勻的壓力場、溫度場和速度場，成功實現了低密度聚丙烯微孔發泡材料的規模制造和柔性生產。
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隨著汽車工業的蓬勃發展，制造汽車的各種原材料也迅速發展和更新換代，越來越多的汽車零部件開始采用改性塑料替代金屬制件。塑料在汽車上的應用已有近50年的歷史，目前汽車用改性塑料的使用量已成為衡量汽車設計和制造水平高低的一個重要標志，塑料飾件的大量應用，促進了汽車的減重節能，提高了汽車的美觀舒適度。PP以密度小、性價比高、具有優異的耐熱性能、耐化學藥品腐蝕性、剛性、易于成型加工和回收利用等特性在汽車上得到了廣泛的應用。近來更是有把汽車內飾和外裝材料統一到PP系列材料的趨勢。由于高性能基礎樹脂的開發生產周期長、投資巨大、技術要求高，且需要高精尖的集成先進綜合技術，所以對現有PP樹脂需要進行更廣泛、更有效、更經濟、更實用的改性。聚丙烯微孔發泡微發泡(Microcellular Foaming)是指以熱塑性材料為基體，制品中間層密布尺寸從十到幾十微米的封閉微孔。微發泡注塑成型技術突破了傳統注塑的諸多局限，在基本保證制品性能的基礎上，可以明顯減輕重量和成型的周期，大大降低機臺的鎖模力，并具有內應力和翹曲小、平直度高，沒有縮水，尺寸穩定，成型視窗大等特點，特別是在生產高精密和材料較貴的制品上與常規注塑相比較獨具優勢，成為近年來注塑技術發展的一個重要方向。聚丙烯微發泡材料能夠滿足大型微發泡汽車注塑件。隨著汽車輕量化的發展，選用PP發泡材料已成為汽車減重的重要途徑，目前其在汽車內飾上的應用也越來越多，其中PP發泡材料在各種汽車上的使用占比為轎車占45%，卡車、工程機械車占20% ，客車、商務車占35% 。汽車用PP發泡材料主要為化學微發泡材料。普通微發泡PP制品的表觀質量很不理想，僅適合于需要表面覆皮的高端車，不僅增加了制造成本，也限制了PP發泡材料的推廣和應用；而化學微孔發泡是以熱塑性材料為基體，化學發泡劑為氣源，通過自鎖工藝使得氣體形成超臨界狀態，注入模腔后氣體在擴散內壓的作用下，使制品中間分布著直徑從十幾到幾十微米的封閉微孔泡，且其理想的泡孔直徑應<50μm ，但目前國內行業實際生產的微發泡PP的微泡孔直徑約為80～350μm。對于微孔發泡主要有注塑微發泡、吹塑微發泡和擠出微發泡等，注塑微發泡適用于各種汽車內外飾件，如車身門板、尾門、風道等；擠出微發泡適用于密封條、頂棚等；吹塑微發泡適用于汽車風管等。利用微發泡技術可使PP制品的質量減少約10%～20% ，較傳統材料在部件上可實現高50%的減重，注射壓力降低約30%～50% ，鎖模力降低約20% ，循環周期減少10%～15%，同時還能提高汽車的節能性，較傳統材料可實現高30%的節能，并且能改善制品的翹曲變形性，使產品和模具的設計更靈活。輻射交聯PP高發泡片材具有良好的力學性能，作為汽車車頂，可降低汽車的質量，同時其還可用于汽車的內飾件，有利于汽車的輕量化。綜上所述，聚丙烯微發泡材料在汽車領域應用廣泛，但需要注意：1. 微發泡是經全球各行業不同產品所驗證的技術、有廣范的市場、但在中國應用尚新。2. 微發泡能提供更高品質 (減少變形,提升平面度,圓度和尺寸的穩定性,沒有縮水印) 和更低成本 (重量,成型周期和成型噸位減少、更省料的產品設計)。3. 微發泡能創造新商機——高端應用和省成本。4. 并不是所有的制品都適合用微發泡技術,需要配合尋找合適的制品。
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隨著汽車工業的蓬勃發展，制造汽車的各種原材料也迅速發展和更新換代，越來越多的汽車零部件開始采用改性塑料替代金屬制件。塑料在汽車上的應用已有近50年的歷史，目前汽車用改性塑料的使用量已成為衡量汽車設計和制造水平高低的一個重要標志，塑料飾件的大量應用，促進了汽車的減重節能，提高了汽車的美觀舒適度。聚丙烯微孔發泡PP以密度小、性價比高、具有優異的耐熱性能、耐化學藥品腐蝕性、剛性、易于成型加工和回收利用等特性在汽車上得到了廣泛的應用。近來更是有把汽車內飾和外裝材料統一到PP系列材料的趨勢。由于高性能基礎樹脂的開發生產周期長、投資巨大、技術要求高，且需要高精尖的集成先進綜合技術，所以對現有PP樹脂需要進行更廣泛、更有效、更經濟、更實用的改性。微發泡(Microcellular Foaming)是指以熱塑性材料為基體，制品中間層密布尺寸從十到幾十微米的封閉微孔。微發泡注塑成型技術突破了傳統注塑的諸多局限，在基本保證制品性能的基礎上，可以明顯減輕重量和成型的周期，大大降低機臺的鎖模力，并具有內應力和翹曲小、平直度高，沒有縮水，尺寸穩定，成型視窗大等特點，特別是在生產高精密和材料較貴的制品上與常規注塑相比較獨具優勢，成為近年來注塑技術發展的一個重要方向。聚丙烯微發泡材料能夠滿足大型微發泡汽車注塑件。隨著汽車輕量化的發展，選用PP發泡材料已成為汽車減重的重要途徑，目前其在汽車內飾上的應用也越來越多，其中PP發泡材料在各種汽車上的使用占比為轎車占45%，卡車、工程機械車占20% ，客車、商務車占35% 。汽車用PP發泡材料主要為化學微發泡材料。普通微發泡PP制品的表觀質量很不理想，僅適合于需要表面覆皮的高端車，不僅增加了制造成本，也限制了PP發泡材料的推廣和應用；而化學微孔發泡是以熱塑性材料為基體，化學發泡劑為氣源，通過自鎖工藝使得氣體形成超臨界狀態，注入模腔后氣體在擴散內壓的作用下，使制品中間分布著直徑從十幾到幾十微米的封閉微孔泡，且其理想的泡孔直徑應 <50μm ，但目前國內行業實際生產的微發泡PP的微泡孔直徑約為80～350μm 。對于微孔發泡主要有注塑微發泡、吹塑微發泡和擠出微發泡等，注塑微發泡適用于各種汽車內外飾件，如車身門板、尾門、風道等；擠出微發泡適用于密封條、頂棚等；吹塑微發泡適用于汽車風管等。利用微發泡技術可使PP制品的質量減少約10%～20% ，較傳統材料在部件上可實現50%的減重，注射壓力降低約30%～50% ，鎖模力降低約20% ，循環周期減少10%～15%，同時還能提高汽車的節能性，較傳統材料可實30%的節能，并且能改善制品的翹曲變形性，使產品和模具的設計更靈活。輻射交聯PP高發泡片材具有良好的力學性能，作為汽車車頂，可降低汽車的質量，同時其還可用于汽車的內飾件，有利于汽車的輕量化。福特微發泡發動機罩：采用MuCell微發泡注塑成型技術在零件成型過程中充入氣泡，形成極為細微的蜂巢狀結構，既節約了塑材，又減輕了重量，而且不會影響零件的任何性能。目前已應用車型有：C-MAX、Grand C-MAX、S-MAX、蒙迪歐和Galaxy等。上所述，聚丙烯微發泡材料在汽車領域應用廣泛，
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發泡塑木復合材料是將塑料母粒、木粉、填料、發泡劑和各種助劑按一定比例混合，于成型過程中在復合材料內部引入泡孔而制成。發泡劑在塑木共混物相體系中形成的氣體相可通過溶解氣體的分離、揮發性氣體的汽化或化學反應產生氣體的釋放等途徑實現。聚丙烯微孔發泡發泡塑木復合材料內部良好的泡孔結構有助于鈍化普通WPC中的裂紋尖端，阻止裂紋擴展，因而可以克服普通塑木復合材料脆性較大、抗沖擊強度較小和材料伸長率較低的缺點。另外，由于發泡塑木復合材料中含有大量泡孔，材料內部空隙較大，制備時所用樹脂量大大削減，相對節約了原料成本，也有效降低了材料的密度（約為未發泡塑木復合材料的50%，可達0.6～1.0g/cm3），材料的隔音、隔熱和緩沖效果也隨之提高。此外，因發泡材料自重輕，便于運輸、施工和安裝，有望成為物流包裝等行業所用木材及塑料的替代品。發泡塑木復合材料還是一種環保材料，原料來源廣（回收的二次纖維和廢舊塑料均可），制造成本低廉，其本身還可多次回收再利用，減少了塑料的使用量，降低了環境污染，也有益于保護森林資源。盡管目前國內一些包裝材料制造商及研究單位在努力研發發泡型純植物纖維緩沖包裝材料，但相比較而言，FW－PC因集合了木材與塑料兩者之長，因而仍在性能上更具優勢，如強度更高、耐水性能更好、價格更低廉、應用范圍更廣。聚丙烯（PP）價格適中，力學性能優異，耐熱溫度相對較高。PP基發泡材料的發泡體系性能和發泡機理的相關研究比較深入，制備工藝已基本成熟。我國研究人員對聚丙烯基發泡塑木復合材料的研究較多，采用的木質材料包括木粉、農作物廢料和竹粉等，例如注塑法得到的發泡塑木復合材料微孔結構及其增韌改性進行研究，采用自制的塑木粒料和發泡粒料（比例9：1）在注塑成型機上進行成型，制備出具有不同微孔結構的PP/木纖維復合材料。對材料綜合性能的測定結果表明：注射溫度為180℃、保壓壓力為10 ＭＰａ時，所得發泡塑木復合材料的微孔平均孔徑為53μｍ，微孔密度為2.8×106個/ｃｍ3，微孔為“蜂窩”狀形貌。與未發泡的塑木復合材料相比，密度降低22%，沖擊韌性提高60%。材料中的微孔改變了裂紋擴展方向，形成“臺階”、“分叉”，從而增加了裂紋的擴展路徑，同時可使周圍基體變形時容易產生強迫高彈形變。另經研究對木纖維/PP 復合微孔發泡材料制備工藝與材料性質之間的關系進行研究，采用化學發泡法，利用注塑成型制備得到孔徑更小的木纖維/PP復合微孔發泡材料。該項研究結果表明，添加木纖維使復合材料的力學性能顯著提高，且材料的沖擊強度和彎曲強度高于未發泡材料，但后者的拉伸強度要高于木纖維/PP 復合微孔發泡材料；復合微孔發泡材料的密度隨木纖維摻量的增加而增大，但小于未發泡材料的密度，而且當木纖維摻量提高時，泡孔直徑先減后增，木纖維摻量為5% 時，泡孔直徑小，為20.5μｍ。有研究顯示制備發泡塑木復合材料的主要原料選定為秸稈粉和PP，通過調整偶氮二甲酰胺（AC）發泡劑與乙烯－醋酸乙烯高聚物（EEVA）的比例、偶聯劑的種類和含量擠出工藝條件參數研究發泡工藝。結果表明：AC發泡劑含量為4份時，所得發泡材料密度小為0.95g/cm3，沖擊強度大為14.88KJ/m2；當EVA含量在12％時，材料的密度達到小，為0.84g/cm3，沖擊強度達到大，為11.4KJ/m2；偶聯劑（馬來酸酐接枝聚丙烯，MAH－ｇ－PP）為6份時，發泡材料的沖擊強度達到大，為11.56KJ/m2；制備發泡母粒時，擠出機螺桿溫度為150℃ 時，密度達到0.94g/cm3，沖擊強度達到12.04KJ/m2。以竹粉和PP為原料采用注塑法制備了發泡塑木復合材料。實驗以乙烯辛烯共聚物（POE）和馬來酸酐接枝POE（POE－ｇ－MAH）作為復合材料的增韌劑。結果顯示：添加POE和POE－ｇ－MAH會略微降低材料拉伸強度和彎曲強度，但可明顯提高材料的缺口沖擊強度，二者用量分別為15%和8%；采用8%POE－ｇ－MAH增韌的復合材料的缺口沖擊強度為8.55KJ/m2，提高了35.7%，可很好地應用于汽車內飾件。環境掃描電鏡（ESEM）測定結果顯示，增韌后的復合材料斷裂形式轉變為韌性斷裂。動態頻率掃描結果顯示，POOE對復合材料流變性能的影響較小，而POE－ｇ－MAH增韌的復合材料的儲能模量和復數黏度明顯增大。
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聚丙烯微孔發泡材料的特殊應用價值：微孔發泡材料的韌性高、疲勞壽命長、比強度高、熱穩定性高、介電常數低。除此之外還有質輕、隔熱、吸震、隔音、價格低廉等特點。這是因為這種材料中有比塑料中原有的缺陷或微細裂縫小得多的孔徑，這種孔徑能鈍化塑料中原有裂縫的尖端，所以不會降低塑料的強度。因此，在汽車、航天航空和其他各種運輸工具等領域有特殊的應用價值。聚丙烯微孔發泡通過研究熔體流動速率和微孔發泡PP性能之間的關系發現，低熔體流動速率的聚丙烯微孔發泡材料具有良好的機械性能。日本Sumitom化學公司利用幾種熔體流動速率不同的聚合物共混發泡，制得了一種沖擊強度高且具有類似于皮革結構紋理的柔軟片材，這種泡沫塑料的發泡倍率在1.1~2.0之間。聚丙烯微孔發泡材料成核劑改性聚丙烯材料：PP是一種不完全結晶的通用塑料，它的結晶速度較慢慢，容易形成尺寸較大的球晶，導致制品的光澤度和透明性差，制品的外觀缺乏美感，限制了其在透明包裝和日用品等領域的應用。利用成核劑改性聚丙烯，是一種制備透明度高，力學性能優異的聚丙烯材料的簡單有效的方法，因此在聚丙烯的改性當中被廣泛應用。陳枝晴等研究了聚丙烯的透明性，適量的成核劑和相應的分散劑能提高聚丙烯的透明性；且共聚PP的透明性比均聚PP好。張廣平等采用2，2-亞甲基-雙(4，6-二叔丁基苯基)磷酸及其衍生物作為聚丙烯的成核劑，研究了成核劑對復合材料力學性能的影響。結果表明：這種成核劑的佳質量分數為0.4%。此時，復合材料的結晶溫度提高了11℃~15℃，結晶度增加3%~6%，結晶速率顯著增加；材料的模量提高了20%~30%，彎曲強度也提高了10%~20%。纖維增強聚丙烯材料：纖維增強聚丙烯復合材料是目前熱塑性塑料市場中增長較快的塑料品種之一，尤其是在汽車用塑料中。為了能夠更好的發揮纖維的增強作用，在塑料中纖維長度需要大于LC，既零界長度，LC取值與塑料的種類有直接關系。如果纖維的長度小于LC，其增強效果與一般的粉末填料區別不大。例如，玻纖增強PP中，玻璃纖維的零界長度為3.1 mm；而在另外一種經過化學改性的PP中，LC可能降到0.9mm以下。對于普通的短玻纖增強塑料，制品中的纖維長度一般只有0.2~0.6mm，限制了制成品性能的提高。而在長玻纖增強塑料部件中，玻璃纖維的殘留長度可以達到3mm以上，大大提高了制品的物理機械性能。聚丙烯微孔發泡材料應用價值由于長纖維增強熱塑性塑料制品中的纖維殘留長度較長，它的沖擊強度比普通的纖維增強材料高了4倍左右；比強度(17.2%)更是比鋁材料(9.8%)都高；此外，這種材料的加工流動性好，制品外觀光亮、無塌坑等缺陷，制品的成型收縮率也小。的研究成果表明，長玻纖增強聚丙烯(LFG/PP)和短玻纖增強聚丙烯(SFG/PP)的玻璃纖維直徑和含量相同時，LFG/PP的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度明顯高于SFG/PP。