聚丙烯发泡材料绿色制备技术

近年来综合性能优异、可回收易降解的聚丙烯发泡材料已成为泡沫塑料家族中的“新宠”，是聚合物泡沫材料中增长速度最快的品种。超临界二氧化碳(CO2) 发泡聚合物技术是制备聚丙烯微孔发泡材料的关键核心技术，近日华东理工大学化工学院赵玲教授团队在该技术领域取得了实质性突破，成功开发了高性能聚丙烯微孔发泡材料绿色制备过程的优化和强化技术。

聚合物发泡有物理发泡剂和化学发泡剂两大类。化学发泡剂存在化学残留、发泡过程难控制和不易获得高发泡倍率等缺点; 物理发泡剂中的氟氯烃类则对臭氧层有破坏作用，已逐渐被禁止和限制使用; 而一些新型氟碳氢化合物的全球变暖潜能值仍相对较高，烷烃类发泡剂则易燃烧不安全。相比这些传统的发泡剂，超临界CO2发泡聚合物技术作为绿色制造技术，已被工信部列入我国优先发展的产业关键共性技术，而且CO2进入聚合物后会引起熔点、表面张力和黏度下降、结晶行为改变等一系列变化，可以制备微孔甚至纳米泡孔材料。

聚丙烯是结晶聚合物，低温固态发泡受结晶限制，很难制备高发泡倍率产品; 高温发泡聚合物熔体强度不够无法保持完整泡孔，可操作窗口窄。因此，大规模制造具有稳定均匀泡孔形貌和外形尺寸的高发泡倍率微孔材料难度大。

为了攻克这一难题，赵玲团队联合无锡会通、中石化北化院、浙江新恒泰、镇海炼化等单位，在合适物料体系、可控工艺过程和高效工业装备等方面开展了超临界CO2发泡聚丙烯的优化、强化和工程化等系列工作，形成了“适合超临界CO2发泡的聚丙烯专用料”“分步/ 分段发泡新工艺”“优化构建流场结构实现高效规模制备”三大技术创新。

赵玲介绍，在低于流动温度的可变形区发泡，既可突破结晶的制约，又能保证发泡材料微孔结构和外形尺寸稳定成型。基于这一发泡机制，他们开发了兼具较宽发泡温度窗口和较强的CO2溶解扩散能力的聚丙烯发泡专用料，以及能改善泡孔结构和表观形态的新型功能助剂/添加剂。CO2变压饱和提高了过程效率和发泡倍率，气泡成核和生长的分段实施减小了高压设备体积; 同时釜压发泡、模压发泡等高压设备和聚合物预成型体的结构优化设计，保证了均匀的压力场、温度场和速度场，实现了低密度聚丙烯微孔发泡材料的规模制造和柔性生产。

利用上述创新技术，项目团队建设了2 套年产3 万立方米模压发泡装置，实现了低密度聚丙烯微孔厚板的世界领先制造; 新建了4 套、优化改造了3 套年产4 万～6 万立方米的釜压发泡装置，生产效率提高25%，成品率提高到99% 以上，发泡专用料已在镇海炼化生产，2016～2018 年新增产值3.31 亿元、利税1.09 亿元。此外，该团队已获得授权发明专利8 件、实用新型专利8 件;相关研究成果发表了46 篇SCI/EI 收录论文。

赵玲表示，超临界CO2模压发泡技术通用性强，除聚丙烯外，还可用于聚氨酯弹性体微孔发泡材料的生产，多种热塑性聚合物及其复合材料的中试已经完成。采用该技术生产的聚丙烯发泡专用料，除可应用于汽车零部件和内饰、缓冲包装等传统领域，还可满足儿童玩具、食品、医疗、家居用品等领域对绿色材料的需求。由于微孔赋予了聚丙烯独特的性能，聚丙烯微孔发泡材料还可应用于更多的新兴领域，如新能源汽车动力电池垫片、5G 通信微波中继天线罩、高档汽车音响振膜、防弹衣背板等。