聚合物泡沫材料因其具有轻质、隔热、比强度高的优点，在风电、交通、建筑等领域有着广泛应用。然而，随着技术的发展，国防、军工、航空航天等领域对聚合物泡沫材料性能的要求越来越高，如耐高温、耐腐蚀、高力学强度等，传统的泡沫材料已不能满足这些需求。通常工程塑料强度高、耐高温，这使得工程塑料泡沫具有很高的研究与应用价值。然而，工程塑料加工难度大，发泡成本高，需要经过改性才能用于制备泡沫材料。聚芳醚酮（PAEK）是一类高性能工程塑料，具有优良的耐高温、机械性能、阻燃性能和耐化学品性能，因此聚芳醚酮是一种具有广泛前景的制备高性能泡沫基体材料。然而目前关于聚芳醚酮泡沫材料的报道主要集中在发泡倍率较低的微孔泡沫上，因此制备具有一定力学性能的超轻PAEK泡沫的方法值得研究。在本工作中，本课题组通过“增塑-发泡-增强”(PFR)策略，选用小分子交联单体PMDI增塑长链支化无定形PAEK, 使其加工温度大幅度下降，并对增塑后的PAEK进行发泡与后固化，最终得到具有优异耐溶剂、耐热性能、形状记忆性能及阻燃性能的聚芳醚酮/聚脲纳米复合泡沫。该研究成果以“Superlight flame-retardant poly(aryl ether
ketone)/polyurea nanocomposite foam with excellent solvent-resistance and shape
memory performance” 为题发表在《Composites Communications》期刊上。本课题组的研究生赵刚为第一作者，姜治伟副研究员与唐涛研究员和新疆大学的游江岸讲师为共同通讯作者。由图 1 (a) 可知，纯PAEK的玻璃化转变温度 (Tg) 高达213 ℃，而加入PMDI后其Tg大幅度降低，PAEK/PMDI-50的Tg下降幅度最大，低至62 ℃，可见PMDI大幅降低了PAEK的加工难度。对PAEK/PMDI共混物进行发泡，并将发泡后样品与水反应，固化后得到PAEK/PUA ，其Tg回升，图1(c) 显示PAEK/PUA-40的Tg可达235 ℃. 图2 (d) 显示PAEK/PUA 形成了海岛相微相分离结构。图1.(a) PAEK 和 PAEK/PMDI 共混物的 tan δ随测试温度变化的曲线； (b) PAEK/PMDI-60/40 共混物固化前后的 FTIR 光谱； (c) PAEK/PUA纳米复合泡沫随测试温度的tanδ曲线； (d) PAEK/PUA-40 纳米复合材料薄膜的 AFM 图（粘附模式）。【发泡性能】
图2 (a) 为PAEK/PUA-40泡沫标准样，显示出PAEK/PUA泡沫材料具有良好的外观。 从图2 (b) 中可以看出PAEK/PMDI相比纯PAEK发泡温度大幅降低，且发泡倍率明显提高，这是由于PMDI 小分子交联单体的加入有效地提高了PAEK的发泡性能。图2 (c) 展示了PAEK/PUA-40的泡孔结构，可以看出 PAEK/PUA-40 泡孔尺寸小，泡孔大小均一，且均为闭孔结构。图2 (d)表明发泡温度对PAEK/PUA-40的泡孔尺寸和泡孔密度影响较大，随着温度升高，泡孔尺寸增大，泡孔密度降低，这对调控PAEK/PUA的泡孔结构具有重要意义。
图2. (a) 带刻度的PAEK/PUA-40纳米复合泡沫的照片（膨胀比：35）；(b) PAEK/PMDI共混泡沫的发泡倍率随发泡温度变化的曲线；(c) PAEK/PUA-40纳米复合泡沫泡孔结构的SEM图（发泡温度：130℃；CO2压力：10 MPa）；d) PAEK/PUA-40 纳米复合泡沫的泡孔尺寸与发泡温度的关系图。图3 (a) 显示PAEK/PUA-40 在30 ℃ 下热导率仅为32.9mW/(m·K)，表明其具有优异的隔热性能。图3 (b) 表明PAEK/PUA泡沫相对纯PAEK泡沫具有良好的耐溶剂性能。而图3 (c) 表示PAEK/PUA泡沫相比纯PAEK泡沫，其阻燃性能得到了一定保持，依然达到了UL94-V0级别。图 3 (d) 表明PAEK/PUA泡沫在低密度下具有良好的压缩强度，有望作为轻质高强度结构泡沫使用。图4表明PAEK/PUA泡沫具有良好的形状记忆性能，有望作为高温形状记忆泡沫使用。![]()
3. (a) PAEK/PUA-40纳米复合泡沫的隔热性能 (发泡倍率： 35); (b) PAEK/PUA泡沫浸泡后的质量保留率(发泡倍率：20(PAEK)、20(PAEK/PUA-30)、28(PAEK/PUA-40)、43(PAEK/PUA-50)) 在THF、DMF和NMP中室温静置24小时; (c) PAEK/PUA 泡沫的阻燃性能 (LOI 和 UL94 级) ; (d) PAEK/PUA-40 纳米复合泡沫的压缩强度与密度的关系图。
图4.PAEK/PUA-40纳米复合泡沫(发泡倍率：28) 与PAEK泡沫(发泡倍率：20) 形状恢复过程比较：(a)和(b)为样品的原始形状； (a1) 和 (b1) 270 ℃下的变形和 25 ℃下的形状固定； (a2) 和 (b2) 270 ℃时的形状恢复。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.coco.2024.101946
作者|赵刚
校审|邱健
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