- 創(chuàng)新發(fā)泡技術(shù)高效生產(chǎn)輕質(zhì)材料——記中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)“一種聚丙烯材料的超臨界流體發(fā)泡方法”
- 發(fā)布日期：2023-09-12
聚丙烯作為產(chǎn)量大、增長(zhǎng)量快、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的五大通用熱塑性樹脂之一，其高品質(zhì)發(fā)泡材料的綠色高效制備一直是聚合物發(fā)泡領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。華東理工大學(xué)化工學(xué)院趙玲教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明的“一種聚丙烯材料的超臨界流體發(fā)泡方法”專利技術(shù)，以超臨界二氧化碳和氮?dú)鉃榘l(fā)泡劑，解決了傳統(tǒng)發(fā)泡工藝生產(chǎn)效率低、發(fā)泡溫度區(qū)間狹窄等問(wèn)題，已經(jīng)成為制備聚丙烯微孔發(fā)泡材料的關(guān)鍵核心技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)高性能聚丙烯微孔發(fā)泡材料的綠色高效制造。該技術(shù)于近日獲得了第24屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。
2016年，由華東理工大學(xué)牽頭申報(bào)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目——“聚合物材料的輕量化技術(shù)”獲準(zhǔn)立項(xiàng)。該項(xiàng)目聚焦的正是運(yùn)用綠色高效發(fā)泡工藝，開展聚合物輕量化的應(yīng)用基礎(chǔ)—共性技術(shù)—產(chǎn)業(yè)化示范的“一條鏈?zhǔn)健毖邪l(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(xué)發(fā)泡劑兩大類。化學(xué)發(fā)泡劑存在化學(xué)殘留、發(fā)泡過(guò)程難控制和不易獲得高發(fā)泡倍率等缺點(diǎn)；傳統(tǒng)物理發(fā)泡劑中的氟氯烴類由于對(duì)臭氧層有破壞作用已逐漸被禁止使用，一些新型氟碳?xì)浠衔锏娜蜃兣瘽撃苤等韵鄬?duì)較高且價(jià)格昂貴，而烷烴類發(fā)泡劑則存在易燃燒、不安全和有VOCs排放等問(wèn)題。相比這些傳統(tǒng)的發(fā)泡劑，超臨界流體，特別是超臨界二氧化碳和氮?dú)獍l(fā)泡聚合物作為綠色制造新技術(shù)，已被工信部列入我國(guó)優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)。更為重要的是，二氧化碳進(jìn)入聚合物后會(huì)引起熔點(diǎn)、表面張力和黏度下降、結(jié)晶行為改變等一系列變化，氣泡成核效率高，可以用于制備微孔甚至納米泡孔材料。
“常規(guī)聚丙烯是一種半結(jié)晶聚合物，低溫固態(tài)發(fā)泡受結(jié)晶限制，高溫發(fā)泡聚合物熔體強(qiáng)度不夠時(shí)無(wú)法保持完整泡孔，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。”趙玲說(shuō)。為了攻克這一難題，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合無(wú)錫會(huì)通、蘇州申賽、浙江新恒泰、中石化北化院、鎮(zhèn)海煉化、廣東奔迪等單位，在合適物料體系、可控工藝過(guò)程和高效工業(yè)裝備等方面開展了超臨界二氧化碳發(fā)泡聚丙烯的優(yōu)化、強(qiáng)化和工程化等系列工作，實(shí)現(xiàn)了模壓發(fā)泡制備大尺寸低密度聚丙烯微孔厚板、釜壓發(fā)泡制備發(fā)泡倍率可達(dá)上百倍的超低密度聚丙烯珠粒的世界領(lǐng)先制造。相關(guān)成果獲得了2019年度上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
“我們發(fā)現(xiàn)在低于流動(dòng)溫度的可變形區(qū)發(fā)泡，既可突破結(jié)晶的制約，又能保證發(fā)泡材料微孔結(jié)構(gòu)和外形尺寸穩(wěn)定成型。”趙玲說(shuō)。基于此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了分步、分段發(fā)泡的專利技術(shù)。變壓飽和明顯縮短了發(fā)泡氣體飽和時(shí)間，提高了過(guò)程效率，拓寬了發(fā)泡溫度窗口；氣泡成核和生長(zhǎng)的分段實(shí)施大幅減小了高壓設(shè)備體積；兩步或多步的氣泡生長(zhǎng)保證了低密度發(fā)泡體的尺寸穩(wěn)定性。此專利技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于釜壓發(fā)泡、模壓發(fā)泡等過(guò)程，進(jìn)一步提升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(chǎn)水平。
近年來(lái)輕質(zhì)綠色材料需求發(fā)展迅猛，利用上述超臨界流體發(fā)泡創(chuàng)新技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)已陸續(xù)建設(shè)了30多套千噸級(jí)模壓微孔發(fā)泡生產(chǎn)裝置、20多條年產(chǎn)2000～3000噸的釜壓發(fā)泡生產(chǎn)線；近5年累計(jì)生產(chǎn)聚丙烯微孔發(fā)泡材料約8萬(wàn)噸，新增銷售額累計(jì)近20億元，新增利潤(rùn)累計(jì)超4億元。除大量應(yīng)用于汽車零部件和內(nèi)飾、緩沖包裝、冰鮮運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，聚丙烯微孔發(fā)泡材料還滿足了兒童玩具、食品、醫(yī)療、家居用品等領(lǐng)域?qū)G色輕質(zhì)材料的需求。由于微孔還賦予了聚丙烯優(yōu)越的性能和功能，該材料也已應(yīng)用在航空、高鐵、新能源汽車、儲(chǔ)能等新興領(lǐng)域。
趙玲強(qiáng)調(diào)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)成功的超臨界流體模壓發(fā)泡是通用性強(qiáng)的平臺(tái)技術(shù)，除聚丙烯外，已用于多種彈性體和工程塑料微孔發(fā)泡材料的生產(chǎn)。目前開發(fā)的系列微孔熱塑性聚氨酯彈性體、聚酯彈性體、尼龍彈性體、聚烯烴彈性體等材料在輕質(zhì)高彈鞋材領(lǐng)域掀起了材料革命；微孔含氟聚合物、聚苯醚等在介電材料應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注。此外，趙玲團(tuán)隊(duì)已在超臨界流體發(fā)泡聚合物領(lǐng)域申請(qǐng)專利30多件，其中獲得授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利12件、實(shí)用新型專利8件。
