研究人员吃着甘蔗……做出了阻燃泡沫塑料！？_风闻

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聚丙烯发泡材料（Expanded polypropylene，EPP）是一种性能卓越的聚合物/气体复合材料，以其独特而优越的性能成为目前增长最快的环保新型抗压缓冲隔热材料。EPP还是一种环保材料，可回收再利用，可以自然降解，不会造成白色污染。

图1 聚丙烯发泡材料特点及其应用

如今我们的生活中随处可见EPP的踪影。例如EPP凭借着其抗震吸能、良好的回弹性等性能，广泛应用在汽车保险杠、发动机外罩、仪表盘等汽车零部件上，这样既可节省油耗又提高了乘客的安全系数。此外，EPP内含有类似蜂窝状的结构，具有轻质便携、优异隔热保温、耐热性强等性能，广泛应用于外卖保温箱和儿童玩具等材料。

图2 发泡聚丙烯材料的典型应用

如今叱咤风云的聚丙烯材料（PP），结构虽极其简单（图3），但相比于聚乙烯（发明于1899年）而言，却是一种十分年轻的材料。1954年意大利科学家Natta才第一次在实验室利用钛铝催化剂聚合出了具有利用价值的聚丙烯。在Natta合成出全同聚丙烯的前一年，德国科学家Ziegler也用钛铝催化剂系统折腾出了一种新型的聚乙烯，所以钛铝催化剂系统又被称之为Ziegler-Natta催化剂，在后来的高分子合成中具有统治性地位，引领了高分子化学一次划时代的变革。1963年，他们分享了当年的诺贝尔化学奖。从第一次发现到获奖仅有不到十年时间，在化学奖中并不多见。相比较而言，EPP的出现就显得更年轻了，1972年DuPont公司才申请了相关的专利，所以EPP仍有很大的发展空间，尤其是阻燃EPP领域。

图3 聚丙烯结构式

因为聚丙烯的氧指数仅为18%，即在空气中只要达到一定温度就可以点燃，是一种易燃材料，一旦发生火灾，将严重危及人类生命财产安全。此外，EPP泡孔结构中含有空气，在燃烧时还会供氧气，更加剧了其易燃性，因此对聚丙烯泡沫材料进行阻燃改性尤为重要。

目前，在绿色环保的背景下，无卤、低烟、抗滴落的膨胀型阻燃剂仍是阻燃聚丙烯材料的主要添加剂。但是由于膨胀型阻燃剂和聚丙烯极性相反，相容性差，故而膨胀型阻燃剂在聚丙烯基体中团聚现象严重，不仅大大损害了材料的阻燃性能和力学性能，而且加大了制备阻燃聚丙烯发泡材料的难度。

最近，为了解决上述问题，中科院宁波材料所郑文革团队利用超临界二氧化碳发泡技术针对制备阻燃聚丙烯泡沫取得了一系列的研究进展。其中，当二氧化碳的温度超过31℃、压力超过7.38MPa时, 即进入超临界二氧化碳状态。此时，它具有与液体相近的密度、表面张力很小粘度低等性质。另外，超临界二氧化碳发泡技术是一种绿色环保的物理发泡成型技术，即在加工过程中将超临界气体和聚合物熔融混合，并通过快速升温或快速泄压的方式，使得聚合物内部的气泡核不断长大成型，最终获得微孔发泡的塑料制品的一种技术。所得的微孔塑料制品具有能够有效节约原材料、减轻产品质量、消除表面缩痕等特点。

研究人员不仅研究了超临界二氧化碳对膨胀型阻燃剂分散状况影响，还进一步提出利用气泡生长所产生的力来拉开聚集在一起的阻燃剂，从而改善聚丙烯基体中阻燃剂的分散状况。此外，研究人员发现在高温下用力一压就能够赶走泡沫材料内的气泡（图4），进而制备出优异阻燃和力学性能的未发泡聚丙烯材料。

图4 工艺流程及阻燃剂在基体中分散效果示意图

研究人员在啃甘蔗的过程中发现其内部含有众多同向排布的纤维结构，赋予了甘蔗高强度的性能。然而一般泡沫的泡孔结构为类似蜂窝结构般呈现正六边形结构，这将限制泡沫材料强度的发展，故而研究人员便思考怎么才能将蜂窝状泡孔结构变成同向排布的长条形结构，使其类似甘蔗般各向异性的结构，赋予发泡材料优异的力学性能。

 

以甘蔗结构为灵感，研究人员通过超临界二氧化碳发泡技术协同单向牵伸法实现了超轻、超强、高阻燃性能聚丙烯泡沫的制备，并且其产量可高达约0.56ms-1。

所制备聚丙烯泡沫的密度仅为0.08g cm-3，却可以举起比自己重约30000倍的砝码，其比强度远超过已知的塑料泡沫。不仅如此，所制备的聚丙烯泡沫在得益于分散均匀的膨胀型阻燃剂下，还表现出优异的阻燃性能，点火后离开火焰2s内就可以熄灭。

图5 超轻、超强、高阻燃性能的聚丙烯泡沫及其性能展示

“材料千万种，安全第一条”。希望阻燃发泡材料的发展和应用，不仅能够绿色环保、节能减排，更能为生命财产争取到至关重要时间来逃离火灾现场。

来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所