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日常生活中，當人們購買兒童玩具、家具用品等塑料制品時，都會十分在意其材質是否無毒無味、綠色環(huán)保，近年來綜合性能優(yōu)異、可回收的聚丙烯發(fā)泡材料已成為泡沫塑料家族中的“新寵”，日益受到熱捧，是聚合物泡沫材料中增長速度最快的品種。

超臨界CO2（二氧化碳）發(fā)泡聚合物技術是制備聚丙烯微孔發(fā)泡材料的關鍵核心技術。在5月19日召開的上海市科技獎勵大會上，華東理工大學化工學院趙玲教授領銜的“高性能聚丙烯微孔發(fā)泡材料綠色制備過程的優(yōu)化和強化”項目斬獲科技進步獎一等獎。

鎖定新材料發(fā)展重點領域布局綠色制造新技術

輕量化材料已是我國新材料發(fā)展重點領域，發(fā)泡則是實現(xiàn)聚合物輕量化的最直接手段。隨著航天航空、國防、能源、交通、包裝、電器、運動器械等行業(yè)的快速發(fā)展，對具有優(yōu)異機械性能和絕熱、隔音、絕緣、緩沖等特性的聚合物發(fā)泡材料需求越來越迫切。聚丙烯作為產量大、增長量快、應用領域廣泛的五大通用熱塑性樹脂之一，其高品質發(fā)泡材料的綠色制備一直是聚合物發(fā)泡領域的熱點與難點。

2016年，由華東理工大學牽頭申報的國家重點研發(fā)計劃“重點基礎材料技術提升與產業(yè)化”重點專項項目——“聚合物材料的輕量化技術”獲準立項。該項目所聚焦的正是運用綠色高效發(fā)泡工藝，開展聚合物輕量化的應用基礎—共性技術—產業(yè)化示范的“一條鏈式”研發(fā)工作。

據(jù)趙玲介紹，聚合物發(fā)泡有物理發(fā)泡劑和化學發(fā)泡劑兩大類。化學發(fā)泡劑常常存在化學殘留、發(fā)泡過程難控制和不易獲得高發(fā)泡倍率等缺點；物理發(fā)泡劑中的氟氯烴類則對臭氧層有破壞作用，已逐漸被禁止和限制使用；一些新型氟碳氫化合物的全球變暖潛能值仍相對較高或價格昂貴，烷烴類發(fā)泡劑則易燃燒不安全。相比傳統(tǒng)發(fā)泡劑影響氣候、火災危險、有害殘留以及VOC排放等問題和弊端，超臨界流體，特別是超臨界CO2發(fā)泡聚合物是綠色制造技術，被工信部列入我國優(yōu)先發(fā)展的產業(yè)關鍵共性技術，而且CO2進入聚合物后會引起熔點、表面張力和粘度下降、結晶行為改變等一系列變化，可以制備微孔甚至納米泡孔材料。

聚丙烯是結晶聚合物，低溫固態(tài)發(fā)泡受結晶限制，很難制備高發(fā)泡倍率產品；高溫發(fā)泡聚合物熔體強度不夠無法保持完整泡孔，可操作窗口窄。因此，大規(guī)模制造具有穩(wěn)定均勻泡孔形貌和外形尺寸的高發(fā)泡倍率微孔材料難度大。

為了攻克這一難題，近年來，華理趙玲團隊聯(lián)合無錫會通、中石化北化院、浙江新恒泰、鎮(zhèn)海煉化等單位，在合適物料體系、可控工藝過程和高效工業(yè)裝備等方面開展了超臨界CO2發(fā)泡聚丙烯的優(yōu)化、強化和工程化等系列工作，形成了“適合超臨界CO2發(fā)泡的聚丙烯專用料”“分步/分段發(fā)泡新工藝”“優(yōu)化構建流場結構實現(xiàn)高效規(guī)模制備”等三大技術創(chuàng)新優(yōu)勢：根據(jù)在低于其流動溫度的可變形區(qū)發(fā)泡既可以突破結晶的制約又能保證發(fā)泡材料微孔結構和外形尺寸的穩(wěn)定成型這一發(fā)泡機制，開發(fā)了兼具較寬發(fā)泡溫度窗口和較強的CO2溶解擴散能力的聚丙烯發(fā)泡專用料，以及能有效改善泡孔結構和表觀形態(tài)的新型功能助劑/添加劑；CO2變壓飽和提高了過程效率和發(fā)泡倍率，氣泡成核和生長的分段實施大幅減小了高壓設備體積；釜壓發(fā)泡、模壓發(fā)泡等高壓設備和聚合物預成型體的結構優(yōu)化設計保證了均勻的壓力場、溫度場和速度場，成功實現(xiàn)了低密度聚丙烯微孔發(fā)泡材料的規(guī)模制造和柔性生產。

核心技術落地提升市場競爭力瞄準新興領域拓展高端應用

利用上述創(chuàng)新技術，項目已成功建設了2套年產3萬立方模壓發(fā)泡裝置，實現(xiàn)了低密度聚丙烯微孔厚板的世界領先制造；新建了4套、優(yōu)化改造了3套年產4-6萬立方的釜壓發(fā)泡裝置，生產效率提高25%，成品率提高到99%以上；發(fā)泡專用料已在鎮(zhèn)海煉化生產；2016-2018年新增產值3.31億，利稅1.09億。隨著應用市場快速開拓，2019年共推廣新建了13套裝置，市場占有率高和競爭力強。

項目團隊獲得授權發(fā)明專利8件、實用新型專利8件；相關研究成果發(fā)表了46篇SCI/EI收錄論文，“國外同行認為我們全面系統(tǒng)地研究了CO2間歇發(fā)泡聚丙烯行為?！壁w玲說，科技查新表明，模壓發(fā)泡的工程化技術達到國際領先水平，釜壓發(fā)泡的優(yōu)化與強化技術具有國內外新穎性。

“可以說，我們的項目引領了高性能聚丙烯微孔發(fā)泡材料的綠色制造和高端應用?！眻F隊的底氣，來源于“硬核”的技術和不斷開拓的應用領域：全新的超臨界CO2模壓發(fā)泡技術通用性強，除聚丙烯外，還成功用于聚氨酯彈性體微孔發(fā)泡材料生產，并已經完成了多種熱塑性聚合物及其復合材料的中試；釜壓發(fā)泡各項技術指標與日本公司相當；開發(fā)的聚丙烯發(fā)泡專用料打破了國外公司的壟斷；除廣泛應用于汽車零部件和內飾、緩沖包裝等傳統(tǒng)領域，由于CO2發(fā)泡產品環(huán)保健康，很好地滿足了兒童玩具、食品、醫(yī)療、家居用品等領域對綠色材料的需求；特別由于微孔賦予了聚丙烯一些優(yōu)異的獨特性能，聚丙烯微孔發(fā)泡材料不斷地在新興領域成功應用，包括新能源汽車動力電池墊片、5G通信微波中繼天線罩、高檔汽車音響振膜、防彈衣背板等等，產品附加值高。

領銜了“十三五”重點研發(fā)項目、推進了國家和行業(yè)標準制定、擔任了國際發(fā)泡塑料期刊的副主編、培養(yǎng)一批聚合物發(fā)泡研發(fā)和生產高層次人才，趙玲教授帶領的項目團隊已成為國內頂尖、國際具有重要影響力的聚合物發(fā)泡研發(fā)團隊。

“這只是起步，超臨界CO2發(fā)泡制備輕質高強的聚合物材料很好地滿足了塑料減量化、材料輕量化和制造綠色化的要求，發(fā)展前景廣闊?！壁w玲對團隊及輕量化聚合物研發(fā)工作的未來充滿信心。