聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）作为最常见的发泡材料，在泡沫珠粒行业中占有较大的市场份额。然而，其较差的机械性能和耐温性能导致其应用受到较大限制。引入相容性好的高性能聚合物聚苯醚（PPO）可显著提高聚苯乙烯（PS）的性能，但升高的加工温度对PS/PPO珠粒的熔结提出了新的挑战。近日，华东理工大学化学工程国家重点实验室赵玲教授团队提出了一种微波辅助聚合物集成发泡和熔结策略（IFS策略），其加工过程如图1所示。制备的PS/PPO泡沫具有优异的机械性能、阻燃性能、耐温性能和隔热性能。该方法为绿色、高效、安全、节能、可持续地制备加工温度较高的珠粒发泡材料提供了一条可行的途径。该工作“PS/PPO
foam with excellent comprehensive properties prepared by integrated foaming and
sintering strategy with microwave-assisted”为题发表在《Composites Communications》上。华东理工大学化学工程与国家重点实验室的钟文宇为第一作者，赵玲教授为通讯作者。如图2a所示，随着微波辐射时间的延长，珠粒之间的熔结效果明显改善。与纯PS相比，由于PS/PPO-50%具有较高的加工温度，应延长微波时间，可以实现较好的界面粘结（图3d）。同时，伴随着微波的选择性加热，泡沫能够实现二次膨胀，这有助于制备出特定泡孔尺寸和膨胀比的泡沫。图3b表示了泡沫珠粒的烧结机理。在加工过程中，尽管甘油被微波加热到相对较高的温度，但泡沫长时间处于高温环境中仍能确保整体不会发生塌陷。这是因为随着珠粒的膨胀，珠粒之间的甘油沿着珠粒的缝隙被挤出，以确保在烧结过程中，有较少甘油残留物留在界面处。因此，长时间加热不会显著影响泡沫的宏观和微观结构，这拓宽了微波熔结过程中的加工温度窗口。
图2.在1000 W的微波辐射功率下在不同时间制备的PS珠粒泡沫部件的宏观图像（a）; IFS策略的机理图（b）;在1000 W的微波辐射功率下烧结不同时间的PS（c）和PS/PPO-50%（d）的烧结界面和中心的SEM图像。【力学性能】
如图3a-3c所示，通过微波熔结制备的PS珠粒泡沫样品即使在60%的压缩应变下仍表现出很强的粘结性。从图3f-3g可以看出，具有不同密度的PS泡沫样品具有不同的泡孔结构，低密度泡沫样品具有较大的泡孔尺寸和较薄的泡孔壁，从而导致泡沫变形阻力显著降低。如图3h-3i所示，为具有不同PPO含量的泡沫样品和经水蒸气烧结处理的EPS泡沫样品（所有样品的密度均为约0.14g/cm3）的压缩性能。PPO的加入显著提高了PS泡沫部件的机械性能，在50% PPO含量下达到最高压缩强度（8.16MPa），与纯PS泡沫（3.19MPa）相比增加了155%，与EPS泡沫（1.01MPa）相比增加了707%。出色的机械强度进一步验证了微波辅助熔结工艺的可靠性和稳定性，使其能够快速制造具有稳定3D几何形状的高性能热塑性泡沫。
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图3. PS珠粒泡沫部件的初始照片和压缩照片（a-c）;应力-应变曲线（d）；应力-应变曲线标注区域的放大（e）；具有不同密度的PS珠粒泡沫部件的泡沫结构（f）和压缩特性（g）; EPS泡沫部件和不同PPO含量泡沫部件的应力-应变曲线（h）和压缩特性（i）。【耐温性能、阻燃性能与隔热性能】
如图4a-4b所示，PPO增强的泡沫样品表现出优异的耐温性和阻燃性。从图a可以看出，与密度相同的纯PS发泡样品和EPS发泡样品相比，使用温度可提高40-50 ℃。从图b可以看出，纯PS泡沫在点燃后会燃烧殆尽，而PPO增强泡沫在较短时间内离火自熄。此外，碳层的形成有效地防止了泡沫的持续燃烧和滴落（图4c-4e）。由于隔热性能与EPS泡沫样品一致（图4f-4g），PPO增强泡沫成为EPS理想的替代品。图4.显示泡沫部件的耐温性（a）和阻燃性（b）的照片;燃烧后PS/PPO-50%泡沫部件的照片（c）和SEM（d-e）;PS/PPO-50%和EPS泡沫部件的热导率对比（f）;珠粒泡沫部件的传热路径机理图（g）。https://doi.org/10.1016/j.coco.2024.101925
作者|孙涛
校审|姜治伟
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