微孔發(fā)泡材料是指尺寸直徑在微米級的多孔材料，由于自身獨特的泡孔結構，同時與其他材料相比具有熱穩(wěn)定性好、減震性能以及隔音性能優(yōu)異等，而被廣泛應用在家電行業(yè)、建筑材料、包裝材料等領域。近年來，超臨界二氧化碳（SC-CO2）因其綠色環(huán)保、成本低廉、易得而成為一種研究最熱的新型物理發(fā)泡劑。超臨界二氧化碳（SC-CO2）是應用最為廣泛的一種。因為SC-CO2除了擁有超臨界流體本身所具有的滲透性能好、傳質系數(shù)高等特點之外，還擁有以下優(yōu)點： 

（1）CO2達到超臨界狀態(tài)的條件很溫和，只需溫度超過31.1℃、壓力超過7.38MPa，CO2就會轉變?yōu)?SC-CO2；

（2）CO2來源廣泛，價格低廉，并且無色、無毒、無臭、無害，具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，不會發(fā)生燃燒和爆炸； 

（3）SC-CO2在聚合物熔體中具有較高的擴散性和溶解度，對聚合物熔體有較強的增塑作用，從而能顯著降低熔體黏度，提高熔體的流動性； 

（4）SC-CO2能輕易從產(chǎn)物中脫除，完全省去了使用傳統(tǒng)溶劑帶來的復雜的后處理工序，并且還能實現(xiàn)對 CO2的回收利用； 

（5）CO2分子成對稱結構，極性較弱，它能溶解非極性或極性較弱的物質，可以作為反應介質或萃取劑；若要溶解無機鹽類或極性較強的物質，需要在SC-CO2中加入一些極性共溶劑（如乙醇）來改善它的極性。 

1、聚合物發(fā)泡機理

聚合物發(fā)泡過程可被分成三個階段，即泡沫形成、泡沫增長、泡沫穩(wěn)定，示意圖如圖1所示：

圖1 聚合物發(fā)泡過程示意圖

（1）泡孔形成

 將發(fā)泡劑加入到熔融狀態(tài)的聚合物樹脂中，就會生成溶液。當氣體形成過飽和溶液時，氣體便會溢出而形成氣泡，這種過程稱為成核作用。通常，加入尺寸較小的固體粒子作為氣體的成核劑，即所謂的第二分散相，從而有利于氣泡的形成。

（2）泡孔增長

 當溶解氣體的含量增加，溫度升高時，氣體膨脹和氣泡合并從而泡沫增長。聚合物的表面張力、熔體粘度、發(fā)泡溫度、發(fā)泡壓力、成核劑的尺寸及其分散是影響泡沫增大的主要因素。氣泡形成后，氣泡內的壓力與其尺寸成反比，氣泡越小，其內部壓力就越大。當尺寸不相同的兩個泡孔，氣體就會從小泡孔擴散到大泡孔中，發(fā)生并孔。

（3）泡孔穩(wěn)定

 在泡沫增大的過程中，形成無數(shù)的氣孔，從而表面積增大，破孔壁變薄，使得泡沫不穩(wěn)定。通常穩(wěn)定泡沫的方法有：一是加入表面活性劑，降低聚合物熔體的表面張力，減少氣體的擴散作用，有利于生成細泡，穩(wěn)定氣泡；二是提高熔體強度來穩(wěn)定氣泡。在實際的生產(chǎn)中，物料的冷卻或者固化交聯(lián)都可以提高熔體強度。

2、發(fā)泡材料制備方法

采用 SC-CO2對聚合物進行發(fā)泡的主要方法有連續(xù)擠出發(fā)泡、快速卸壓發(fā)泡和注塑發(fā)泡。

1 連續(xù)擠出發(fā)泡

連續(xù)擠出發(fā)泡的過程如下首先將聚合物加入擠出機中進行熔融塑化，然后在擠出機的前中部注入一定量的 SC-CO2，在螺桿和混合元件的強力剪切作用下，聚合物和 SC-CO2得以充分混合并形成聚合物/SC-CO2均相體系；當均相體系擠出口模時，由于壓力突然下降，SC-CO2在聚合物熔體中的溶解度迅速下降，體系的熱力學不穩(wěn)定性將誘導聚合物泡孔成核而發(fā)泡。隨著溫度的降低，聚合物基體逐漸變硬，擠出的發(fā)泡材料最終成型。連續(xù)擠出發(fā)泡法的生產(chǎn)效率較高，所得制品用途廣泛。 

2 快速卸壓發(fā)泡

快速卸壓發(fā)泡屬于一步間歇發(fā)泡法，其發(fā)泡過程是不連續(xù)的。快速卸壓發(fā)泡是將聚合物置于高壓釜中，通入 sc-CO2，將聚合物加熱到軟化但不熔融的狀態(tài)，然后在此狀態(tài)維持一定時間使聚合物中的 SC-CO2達到充分飽和；飽和完全后，打開高壓釜閥門使壓力在短時間內卸至常壓，然后將發(fā)泡樣品取出高壓釜并冷卻定型。釜內壓力的瞬間釋放，會引發(fā)體系極大的熱力學不穩(wěn)定性，從而使得聚合物迅速發(fā)泡膨脹。相比于連續(xù)擠出發(fā)泡，間歇發(fā)泡的生產(chǎn)周期較長，但其擁有一些獨特的優(yōu)勢，比如發(fā)泡材料的膨脹倍率較大，依靠發(fā)泡粒子成型工藝能制作出各種復雜結構的泡沫零部件。 

3 注塑發(fā)泡

與前兩種發(fā)泡方法相比，注塑發(fā)泡由于其自身的特點可以一步成型結構復雜的泡沫制品。注塑發(fā)泡的主要過程如下：首先將聚合物加入預熱好的注塑機機筒內熔融塑化，然后在機筒的熔融段注入一定量的 sc-CO2，在螺桿的轉動下通過混合元件使聚合物和 sc-CO2充分混合形成聚合物/sc-CO2均相體系；隨后，聚合物/SC-CO2均相體系在螺桿的帶動下經(jīng)靜態(tài)混合器的進一步混合后進入擴散室，之后快速加熱擴散室，使 sc-CO2在聚合物熔體中的溶解度迅速下降而誘發(fā)大量氣泡成核。為了抑制氣泡核的長大，在機筒和擴散室應保持高壓。注射時，螺桿推進將含有大量微小氣泡核的聚合物熔體注入并充滿型腔。充模完成后，釋放壓力使氣泡膨脹，同時模具的冷卻作用使發(fā)泡制品最終成型。

3、超臨界發(fā)泡材料應用

（1）發(fā)泡聚丙烯材料（EPP）

發(fā)泡聚丙烯（EPP）作為一種新型的環(huán)保輕質材料，具有優(yōu)良的抗震吸能性，形變后回復率高，較高的耐熱性，耐化學品性能強，耐油性優(yōu)，隔熱性好，輕量化，無毒無味，可實現(xiàn)100%循環(huán)使用，是一種理想的綠色包裝材料！

EPP材料作為一體化包裝材料時，

（1）較強的剛性可以為包裝物提供優(yōu)異的力學支撐；

（2）泡沫材料獨有的減震吸能性可以給包裝物提供可靠的緩沖保護效果；

（3）極強的表面可塑性，可通過模具皮紋處理制品表觀，以實現(xiàn)產(chǎn)品信息或設計理念的傳達，提升產(chǎn)品形象；

（4）相較于傳統(tǒng)的多種包裝材料組合使用，一方面可以降低包裝成本，其次有助于包裝效率的提高（精簡物料品類、減少人工）?；诖?，EPP作為一種無毒無害的、可回收的環(huán)保材料，通過“一體化包裝”的方案，與“綠色包裝”的理念剛好契合，實現(xiàn)可回收循環(huán)使用。

目前，無錫會通輕質材料股份有限公司作為國內領先的EPP材料的供應商，一直致力于EPP輕質材料的技術創(chuàng)新，新應用開發(fā)。

（2）發(fā)泡聚乳酸材料（EPLA）

 聚乳酸（PLA）作為熱門的可降解材料之一，尤其是在碳中和的理念下備受關注。

 PLA可應用于食品包裝領域的一次性飯盒、食品飲料外包裝和高附加值薄膜；在生物醫(yī)療領域，PLA還應用于用于醫(yī)用縫合線、藥物控釋載體、骨科內固定材料、工程支架、藥品緩釋控制材料、眼科材料等方面。PBAT在食品包裝領域應用于一次性塑料袋和一次性餐具，在農業(yè)領域，應用塑料包裝薄膜、農用薄膜、一次性塑料袋等。

 換言之，可降解材料應用最多的還在于日常生活中最常見的一次性應用領域，比如飯盒、膜包裝、塑料袋等。但在傳統(tǒng)的緩沖包裝領域，可降解材料還處于空白狀態(tài)。

（3）發(fā)泡熱塑性聚氨酯材料（ETPU）

 TPU是熱塑性聚氨酯彈性體的英文簡稱，是一種由二異氰酸酯、擴鏈劑、多元醇組成的嵌段共聚物。

 其中多元醇組成的軟段表現(xiàn)出柔性和韌性，而二異氰酸酯作為硬段，賦予材料硬度和剛性，并且硬段結晶后作為物理交聯(lián)點，使TPU表現(xiàn)出高彈性。因此TPU具有拉伸強度高、伸長率大，長期壓縮變形率低等顯著優(yōu)點，而發(fā)泡后的TPU即ETPU，會有良好的回彈性，一般泡沫落球回彈值可達到60%。鞋材應用最為典型的例子便是阿迪達斯的Boost科技——全片式地采用了巴斯夫的ETPU，又俗稱爆米花，可給人帶來傳說中的“踩屎感”穿著體驗。

（4）發(fā)泡尼龍彈性體材料(E-PEBAX)

 尼龍彈性體是聚酰胺系熱塑性彈性體的俗稱，英文名是Thermoplastic polyamide-based elastomer，縮寫為TPAE，是指由剛性聚酰胺硬段和柔性聚醚或聚酯嵌軟段組成的熱塑性半結晶型共聚物。

對于尼龍彈性體材料來說，聚醚軟段賦予了它優(yōu)異的柔韌和高回彈性能，聚酰胺硬段賦予了它足夠的剛度，并且具有出色的低溫抗沖擊性能。