研究人員吃着甘蔗……做出了阻燃泡沫塑料！？_風聞

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聚丙烯發泡材料（Expanded polypropylene，EPP）是一種性能卓越的聚合物/氣體複合材料，以其獨特而優越的性能成為目前增長最快的環保新型抗壓緩衝隔熱材料。EPP還是一種環保材料，可回收再利用，可以自然降解，不會造成白色污染。

圖1 聚丙烯發泡材料特點及其應用

如今我們的生活中隨處可見EPP的蹤影。例如EPP憑藉着其抗震吸能、良好的回彈性等性能，廣泛應用在汽車保險槓、發動機外罩、儀表盤等汽車零部件上，這樣既可節省油耗又提高了乘客的安全係數。此外，EPP內含有類似蜂窩狀的結構，具有輕質便攜、優異隔熱保温、耐熱性強等性能，廣泛應用於外賣保温箱和兒童玩具等材料。

圖2 發泡聚丙烯材料的典型應用

如今叱吒風雲的聚丙烯材料（PP），結構雖極其簡單（圖3），但相比於聚乙烯（發明於1899年）而言，卻是一種十分年輕的材料。1954年意大利科學家Natta才第一次在實驗室利用鈦鋁催化劑聚合出了具有利用價值的聚丙烯。在Natta合成出全同聚丙烯的前一年，德國科學家Ziegler也用鈦鋁催化劑系統折騰出了一種新型的聚乙烯，所以鈦鋁催化劑系統又被稱之為Ziegler-Natta催化劑，在後來的高分子合成中具有統治性地位，引領了高分子化學一次劃時代的變革。1963年，他們分享了當年的諾貝爾化學獎。從第一次發現到獲獎僅有不到十年時間，在化學獎中並不多見。相比較而言，EPP的出現就顯得更年輕了，1972年DuPont公司才申請了相關的專利，所以EPP仍有很大的發展空間，尤其是阻燃EPP領域。

圖3 聚丙烯結構式

因為聚丙烯的氧指數僅為18%，即在空氣中只要達到一定温度就可以點燃，是一種易燃材料，一旦發生火災，將嚴重危及人類生命財產安全。此外，EPP泡孔結構中含有空氣，在燃燒時還會供氧氣，更加劇了其易燃性，因此對聚丙烯泡沫材料進行阻燃改性尤為重要。

目前，在綠色環保的背景下，無滷、低煙、抗滴落的膨脹型阻燃劑仍是阻燃聚丙烯材料的主要添加劑。但是由於膨脹型阻燃劑和聚丙烯極性相反，相容性差，故而膨脹型阻燃劑在聚丙烯基體中團聚現象嚴重，不僅大大損害了材料的阻燃性能和力學性能，而且加大了製備阻燃聚丙烯發泡材料的難度。

最近，為了解決上述問題，中科院寧波材料所鄭文革團隊利用超臨界二氧化碳發泡技術針對製備阻燃聚丙烯泡沫取得了一系列的研究進展。其中，當二氧化碳的温度超過31℃、壓力超過7.38MPa時, 即進入超臨界二氧化碳狀態。此時，它具有與液體相近的密度、表面張力很小粘度低等性質。另外，超臨界二氧化碳發泡技術是一種綠色環保的物理發泡成型技術，即在加工過程中將超臨界氣體和聚合物熔融混合，並通過快速升温或快速泄壓的方式，使得聚合物內部的氣泡核不斷長大成型，最終獲得微孔發泡的塑料製品的一種技術。所得的微孔塑料製品具有能夠有效節約原材料、減輕產品質量、消除表面縮痕等特點。

研究人員不僅研究了超臨界二氧化碳對膨脹型阻燃劑分散狀況影響，還進一步提出利用氣泡生長所產生的力來拉開聚集在一起的阻燃劑，從而改善聚丙烯基體中阻燃劑的分散狀況。此外，研究人員發現在高温下用力一壓就能夠趕走泡沫材料內的氣泡（圖4），進而製備出優異阻燃和力學性能的未發泡聚丙烯材料。

圖4 工藝流程及阻燃劑在基體中分散效果示意圖

研究人員在啃甘蔗的過程中發現其內部含有眾多同向排布的纖維結構，賦予了甘蔗高強度的性能。然而一般泡沫的泡孔結構為類似蜂窩結構般呈現正六邊形結構，這將限制泡沫材料強度的發展，故而研究人員便思考怎麼才能將蜂窩狀泡孔結構變成同向排布的長條形結構，使其類似甘蔗般各向異性的結構，賦予發泡材料優異的力學性能。

 

以甘蔗結構為靈感，研究人員通過超臨界二氧化碳發泡技術協同單向牽伸法實現了超輕、超強、高阻燃性能聚丙烯泡沫的製備，並且其產量可高達約0.56ms-1。

所製備聚丙烯泡沫的密度僅為0.08g cm-3，卻可以舉起比自己重約30000倍的砝碼，其比強度遠超過已知的塑料泡沫。不僅如此，所製備的聚丙烯泡沫在得益於分散均勻的膨脹型阻燃劑下，還表現出優異的阻燃性能，點火後離開火焰2s內就可以熄滅。

圖5 超輕、超強、高阻燃性能的聚丙烯泡沫及其性能展示

“材料千萬種，安全第一條”。希望阻燃發泡材料的發展和應用，不僅能夠綠色環保、節能減排，更能為生命財產爭取到至關重要時間來逃離火災現場。

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所