聚合物發泡材料

聚合物發泡材料是指以聚合物（塑膠、橡膠、彈性體或天然高分子材料）為基礎而其內部具有無數氣泡的微孔材料，也可以視為以氣體為填料的複合材料。

基本介紹

• 中文名：聚合物發泡材料

定義

聚合物發泡材料是指以聚合物（塑膠、橡膠、彈性體或天然高分子材料）為基礎而其內部具有無數氣泡的微孔材料，也可以視為以氣體為填料的複合材料。

聚合物發泡材料品種眾多。對於塑膠，大多數熱塑性塑膠和熱固性塑膠都能加工成泡沫塑膠。典型的發泡材料如聚氨酯（PU）泡沫、聚苯乙烯（PS）泡沫。聚烯烴泡沫、聚氯乙烯（PVC）泡沫、酚醛泡沫、環氧化物樹脂泡沫等熱塑性和熱固性泡沫塑膠，丁腈橡膠泡沫、熱塑性彈性體泡沫及發泡澱粉、發泡植物纖維等天然高分子發泡材料。

分類

發泡材料的分類方法較多，常見的有3種分類方法。

（1）按硬度分類

可分為軟質、硬質和半硬質3類。在23℃和50%的相對濕度下，各類泡沫塑膠的彈性模量如下：軟質泡沫塑膠，彈性模量小於70 MPa；硬質泡沫塑膠，彈性模量大於700 MPa；半硬質泡沫塑膠，彈性模量為70-700MPa。

（2）按密度分類

可分為低發泡泡沫材料、中發泡泡沫材料和高發泡泡沫材料。各類泡沫材料的密度如下：低發泡泡沫材料，密度在0.4 g/cm³以上；中發泡泡沫材料，密度為0.1-0.4g/cm³；高發泡材料，密度在0.1g/cm³以下。

（3）按泡孔結構分類

可分為開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料。所含有的泡孔絕大多數相互連通的泡沫材料成為開孔泡沫材料。所含有的絕大多數互不連通的泡沫材料稱為閉孔泡沫材料。

泡沫塑膠作為塑膠的一個種類，由塑膠和均勻分散的氣體組成，因此具有以下的特性。

1）密度低。泡沫塑膠中有大量氣泡存在，其密度約為10-500 kg/m³，為非發泡塑膠製品的幾分之一至幾十分之一。

2）隔熱性優良。由於泡沫塑膠中有大量氣泡存在，泡孔內氣體的熱導率比塑膠低很多，所以泡沫塑膠的熱導率很低。

3）隔音效果好。泡沫塑膠隔音效果是通過吸收聲波能量，使聲波不能反射傳遞而達到的。

4）比強度高。由於泡沫塑膠密度低，比強度自然要比非發泡製品高。泡沫塑膠的機械強度隨發泡倍數的增加而下降，一般以微孔或小孔泡沫塑膠強度高。

不同的泡沫塑膠除了上述共同性能外，還具有其他一些特殊的性能。

新型發泡材料及技術特點

新型發泡材料及技術特點可歸納為如下幾個方面：

（1）環保發泡材料及技術

解決傳統氟利昂發泡劑破壞大氣臭氧層的問題，一直是世界各國關注的熱點。近年來，低臭氧消耗潛值（ODP）、地球變暖潛值（GWP）的氟利昂替代發泡劑得到了大力的發展，如作為第二代發泡劑的氫氯氟烴發泡劑，第三代發泡劑如氫氟烴、烷烴、二氧化碳等發泡劑都逐步實現了商業化。在此基礎上推出了各種氟利昂替代發泡技術，如用於聚氨酯的HCFC-141b發泡、HFC-245fa發泡、環戊烷發泡、環戊烷-異戊烷發泡、全水發泡、二氧化碳發泡等技術，用於聚乙烯和聚苯乙烯的丁烷發泡技術，以及熱塑性彈性體、矽橡膠海綿、聚乙烯、聚苯乙烯的水發泡技術等，取得了較好的效果。而吸熱-放熱平衡型發泡劑、微膠囊發泡劑、母料型發泡劑等新型發泡劑的出現也為改善發泡效果提供了更優的選擇。

（2）高性能發泡材料及技術

發泡材料具有輕質、隔熱、隔音等特點，但要滿足特殊環境下的套用要求，需要研製物理機械性能優良的高性能泡沫材料。阻燃泡沫材料，如阻燃聚乙烯泡沫材料、阻燃聚苯乙烯泡沫材料、阻燃聚氯乙烯泡沫材料、阻燃聚氨酯泡沫材料、阻燃橡膠和彈性體泡沫材料等，由於阻燃性能提高，在某些場合的使用中能達到安全防火的要求。

而耐高溫泡沫材料則大大拓寬了泡沫材料的溫度使用範圍，能夠在150-200℃以上的高溫環境下長期連續工作，有的甚至瞬時耐熱可高達540℃。酚醛泡沫塑膠、環氧泡沫塑膠、聚甲基丙烯醯亞胺（PMI）泡沫塑膠、聚醯亞胺（PI）泡沫塑膠、有機矽泡沫塑膠等耐高溫型泡沫塑膠作為高性能泡沫材料目前在航空航天、高速列車、艦船、軍事及其他特殊領域發揮著重要作用。

泡沫材料還可通過改性發泡方法，如填充改性、增強改性、二元或多元共混改性、共聚改性及納米粒子增強改性、互穿網路技術等，顯著提高某一方面或綜合力學性能。

（3）功能化發泡材料及技術

除了常見的包裝、建築、絕熱等領域，具有特殊性能的泡沫材料作為功能材料在特殊場合發揮重要作用。如抗靜電泡沫材料用於電子元件和設備的包裝材料，吸波泡沫塑膠用於吸收電磁波和防雷達探測的隱身材料，具有生物降解性的泡沫材料在醫學組織工程中用作細胞支架材料，氘代聚苯乙烯泡沫塑膠和聚-4-甲基-1-戊烯（PMP）超低密度泡沫塑膠在慣性約束聚變（ICF）研究中用作各種靶材料，納米級孔徑的聚醯亞胺泡沫塑膠在微電子工業中用作具有超低介電常數的絕緣材料等。

具有開孔結構的泡沫材料用作過濾、通水、透氣等方面的功能材料。典型開孔功能性泡沫材料還包括吸水性、親水性的泡沫塑膠，用於處理海洋溢油的吸油性泡沫塑膠，用於消除噪聲污染和提高潛艇靜音能力的吸聲性泡沫材料，用於緩解化肥的泡沫塑膠，具有抗菌除臭功能的泡沫塑膠及可吸附甲醛、具有氣體淨化功能的泡沫塑膠等。

此外，不同於普通開孔泡沫材料的網狀聚氨酯泡沫材料在飛機、艦船和坦克等軍用裝備的燃油箱中起到獨一無二的防火抑爆作用。

（4）發泡材料的降解與回收

為了消除“白色污染”，具有光-生物降解性和生物降解性的泡沫材料得到了迅速發展。如以聚乳酸（PLA）、聚羥基丁酸酯（PHB）為代表的生物降解發泡材料，以及澱粉、植物纖維等天然高分子的生物降解發泡材料。聚丙烯發泡材料作為高耐熱、物理機械性能優良的環境適應性發泡材料，也受到了人們的青睞，成為國內外研究和開發的熱點。

另一方面，廢棄泡沫材料的回收再資源化是減少資源浪費、合理利用能源、進行環境保護的重要途徑。廢舊泡沫材料的資源化再利用技術得到了進一步發展，如廢舊泡沫材料與水泥、混凝土、粉煤灰等混合製成各種輕質建築複合材料，或通過簡單再生、制粒、改性制塗料和油漆等各種化工原料、裂解回收等，提高了廢舊泡沫材料的資源化再利用效能，此外廢舊回收塑膠的發泡技術也使廢舊塑膠能得到綜合利用。

（5）發泡新工藝、新產品

除了傳統常見的擠出、模壓發泡等工藝，近年來又出現了一些發泡新工藝、新產品或對原有技術的改進。如採用超臨界流體技術製備的微孔發泡塑膠由於泡孔直徑小、泡孔密度高，既能基本維持原有塑膠的基本機械性能，又能使材料的密度下降；結構注射發泡材料對於節約材料和製造輕質、高強度、高剛度、尺寸穩定性好的大型結構件具有獨特優勢；低發泡型材、結構泡沫合成木材和低發泡木纖維/塑膠複合材料作為發泡製品和仿木新材料在保護資源方面具有重要意義。

此外，滾塑發泡成型、結皮中空吹塑發泡、擠出低發泡吹塑薄膜、雙向拉伸發泡薄膜、微球複合泡沫材料、發泡絕緣同軸電纜等新工藝和新產品得到了人們的重視和研究，超音波振動、原位技術等在發泡成型中的套用也引起了人們的極大興趣。

套用

聚合物發泡材料在家庭日常用品、交通工具、絕緣材料、包裝材料、電器、運動設施、電子產品和化學以及紡織等行業中廣泛套用，高性能的泡沫塑膠則在軍事、航空航天等尖端領域發揮重要作用。