创新发泡技术高效生产轻质材料——记中国专利优秀奖“一种聚丙烯材料的超临界流体发泡方法”

　　聚丙烯作为产量大、增长量快、应用领域广泛的五大通用热塑性树脂之一，其高品质发泡材料的绿色高效制备一直是聚合物发泡领域的热点与难点。华东理工大学化工学院赵玲教授团队发明的“一种聚丙烯材料的超临界流体发泡方法”专利技术，以超临界二氧化碳和氮气为发泡剂，解决了传统发泡工艺生产效率低、发泡温度区间狭窄等问题，已经成为制备聚丙烯微孔发泡材料的关键核心技术，有助于实现高性能聚丙烯微孔发泡材料的绿色高效制造。该技术于近日获得了第24届中国专利优秀奖。

　　2016年，由华东理工大学牵头申报的国家重点研发计划“重点基础材料技术提升与产业化”重点专项项目——“聚合物材料的轻量化技术”获准立项。该项目聚焦的正是运用绿色高效发泡工艺，开展聚合物轻量化的应用基础—共性技术—产业化示范的“一条链式”研发工作。

　　据赵玲介绍，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；传统物理发泡剂中的氟氯烃类由于对臭氧层有破坏作用已逐渐被禁止使用，一些新型氟碳氢化合物的全球变暖潜能值仍相对较高且价格昂贵，而烷烃类发泡剂则存在易燃烧、不安全和有VOCs排放等问题。相比这些传统的发泡剂，超临界流体，特别是超临界二氧化碳和氮气发泡聚合物作为绿色制造新技术，已被工信部列入我国优先发展的产业关键共性技术。更为重要的是，二氧化碳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，气泡成核效率高，可以用于制备微孔甚至纳米泡孔材料。

　　“常规聚丙烯是一种半结晶聚合物，低温固态发泡受结晶限制，高温发泡聚合物熔体强度不够时无法保持完整泡孔，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。”赵玲说。为了攻克这一难题，团队联合无锡会通、苏州申赛、浙江新恒泰、中石化北化院、镇海炼化、广东奔迪等单位，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二氧化碳发泡聚丙烯的优化、强化和工程化等系列工作，实现了模压发泡制备大尺寸低密度聚丙烯微孔厚板、釜压发泡制备发泡倍率可达上百倍的超低密度聚丙烯珠粒的世界领先制造。相关成果获得了2019年度上海市科技进步奖一等奖。

　　“我们发现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。”赵玲说。基于此，团队进一步开发了分步、分段发泡的专利技术。变压饱和明显缩短了发泡气体饱和时间，提高了过程效率，拓宽了发泡温度窗口；气泡成核和生长的分段实施大幅减小了高压设备体积；两步或多步的气泡生长保证了低密度发泡体的尺寸稳定性。此专利技术目前已广泛应用于釜压发泡、模压发泡等过程，进一步提升了低密度聚丙烯微孔发泡材料的规模制造和柔性生产水平。

　　近年来轻质绿色材料需求发展迅猛，利用上述超临界流体发泡创新技术，该团队已陆续建设了30多套千吨级模压微孔发泡生产装置、20多条年产2000~3000吨的釜压发泡生产线；近5年累计生产聚丙烯微孔发泡材料约8万吨，新增销售额累计近20亿元，新增利润累计超4亿元。除大量应用于汽车零部件和内饰、缓冲包装、冰鲜运输等领域，聚丙烯微孔发泡材料还满足了儿童玩具、食品、医疗、家居用品等领域对绿色轻质材料的需求。由于微孔还赋予了聚丙烯优越的性能和功能，该材料也已应用在航空、高铁、新能源汽车、储能等新兴领域。

　　赵玲强调，团队开发成功的超临界流体模压发泡是通用性强的平台技术，除聚丙烯外，已用于多种弹性体和工程塑料微孔发泡材料的生产。目前开发的系列微孔热塑性聚氨酯弹性体、聚酯弹性体、尼龙弹性体、聚烯烃弹性体等材料在轻质高弹鞋材领域掀起了材料革命；微孔含氟聚合物、聚苯醚等在介电材料应用领域备受关注。此外，赵玲团队已在超临界流体发泡聚合物领域申请专利30多件，其中获得授权中国发明专利12件、实用新型专利8件。