高聚物挤出水发泡与相结构研究

A new concept, water carrier and a technique of making extruded polymer foam using water as blowing agent were proposed in this proposal. Water carrier is a kind of materials capable of absorbing and releasing water on certain conditions. For the water foaming technique the main procedure includes that water carrier with some water and polymer to be foamed are firstly fed into twin screw extruder, then the water introduced, the water carrier and the polymer are mixed in the extruder to get suitable phase structure and state for foaming, finally the phase separation occurs through the die and the polymer foams with gaseous water bubbles (gas phase or cells) form. The water carrier desired can enhance polymer melt strength and stabilize the cells in the foaming process. So the important research contents in this proposal include to design and prepare water carrier, to enhance the compatibility between components and polymer melt strength, and to modify the extruder to make it more efficient. The phase structure formed and evolved in the foaming process will be studied deeply by means of morphological observation and rheological and viscous-elastic property measurements in order to understand the relationship between morphological structure and properties. Finally try to establish the water foaming technology and promote the development of polymer foam field and industry.

本项目创新性的提出水载体的概念和高聚物挤出水发泡的技术方法，即选择能够吸附水的物质- - 水载体，将其和高聚物发泡基质在双螺杆挤出机中混合，使获得的相结构和状态满足发泡条件，经合适的口模挤出，水和发泡基质发生固气相分离，实现高聚物水发泡。在此过程中，水载体还起到增强发泡基质熔体强度和稳定泡孔结构的作用。因此，本项目将在水载体设计与制备、组分间增容、熔体增强以及设备改进等方面开展系统研究；采取在线取样结构观察和流变特性、粘弹特性测试等方法，研究水/水载体/高聚物在双螺杆挤出机中相结构特点；系统研究所得泡沫的结构和性能相互关系，探索可能的应用领域。最终能够将组成/工艺（设备）/结构/性能相结合，建立起高聚物挤出水发泡技术和理论体系，促进高聚物泡沫材料学科和产业发展。

目前，工业上大量使用的发泡剂多为小分子烷烃及其衍生物，它们具有污染环境和可燃等缺点。以水作为发泡剂具有绿色无污染、分子量小以及来源广、价格低等优点。然而，由于水在通用高聚物中的溶解度极低且表面能大，使得高聚物连续挤出水发泡难以稳定进行。本课题创造性提出水载体的基本设想，以解决水在高聚物基体中的均匀分散问题，从而开发出高聚物连续挤出水发泡绿色新技术。主要研究成果如下：. (1) 通过对不同类型的水载体进行对比研究，以及对加工温度、螺纹组合等工艺条件的优化，成功研发出一种以淀粉为水载体，水为发泡剂的绿色、简便且具有一定普适性的高聚物连续挤出水发泡技术。该技术方法能广泛应用于通用聚合物（如PP、PS等）和可生物降解聚合物（如PLA、PPC等）泡沫材料的制备，且通过调节淀粉和水的含量能够制得高开孔率（>90%）、高发泡倍率（30~50倍）的聚合物泡沫材料。该技术方法还具有操作简单、加工条件温和以及对设备要求不复杂等优点，易于实现规模化生产，具有很高应用价值。. (2) 挤出水发泡机理研究表明：以淀粉作为水载体实现聚合物挤出水发泡，其本质是水作为发泡剂的淀粉/聚合物两组分的两相结构的共混体系，核心在于少量淀粉在聚合物发泡基质中形成纤维状的连续相，该连续相既实现了水在基质中的均匀分散，又在失水后固定泡孔结构。该机理的阐明将极大的促进高聚物泡沫领域以多组分模式向前发展。. (3) 通过选用不同性能的聚合物、调控泡孔结构以及泡沫表面改性等方法，制备了一系列具有不同性能的聚合物泡沫材料。这些性能各异的聚合物泡沫材料将在不同领域得到应用。例如，采用水发泡法制备的聚丙烯泡沫具有高发泡倍率、高开孔率、抗静电等优点，因此在缓冲包装以及吸音降噪等领域具有潜在应用。经表面改性后的EAA泡沫具有高回弹性及超疏水特性，其表面水接触角高达152.9°，这些优异特性使其成为一种非常具有应用前景的油水分离材料。目前此技术方法已获得企业认可，正在进行生产线建设。