日常生活中，当人们购买儿童玩具、家具用品等塑料制品时，都会十分在意其材质是否无毒无味、绿色环保，近年来综合性能优异、可回收的聚丙烯发泡材料已成为泡沫塑料家族中的“新宠”，日益受到热捧，是聚合物泡沫材料中增长速度最快的品种。
超临界CO2（二氧化碳）发泡聚合物技术是制备聚丙烯微孔发泡材料的关键核心技术。在5月19日召开的上海市科技奖励大会上，华东理工大学化工学院赵玲教授领衔的“高性能聚丙烯微孔发泡材料绿色制备过程的优化和强化”项目斩获科技进步奖一等奖。
锁定新材料发展重点领域
布局绿色制造新技术
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轻量化材料已是我国新材料发展重点领域，发泡则是实现聚合物轻量化的最直接手段。随着航天航空、国防、能源、交通、包装、电器、运动器械等行业的快速发展，对具有优异机械性能和绝热、隔音、绝缘、缓冲等特性的聚合物发泡材料需求越来越迫切。聚丙烯作为产量大、增长量快、应用领域广泛的五大通用热塑性树脂之一，其高品质发泡材料的绿色制备一直是聚合物发泡领域的热点与难点。
2016年，由华东理工大学牵头申报的国家重点研发计划“重点基础材料技术提升与产业化”重点专项项目——“聚合物材料的轻量化技术”获准立项。该项目所聚焦的正是运用绿色高效发泡工艺，开展聚合物轻量化的应用基础—共性技术—产业化示范的“一条链式”研发工作。
据赵玲介绍，聚合物发泡有物理发泡剂和化学发泡剂两大类。化学发泡剂常常存在化学残留、发泡过程难控制和不易获得高发泡倍率等缺点；物理发泡剂中的氟氯烃类则对臭氧层有破坏作用，已逐渐被禁止和限制使用；一些新型氟碳氢化合物的全球变暖潜能值仍相对较高或价格昂贵聚丙烯是什么材料，烷烃类发泡剂则易燃烧不安全。相比传统发泡剂影响气候、火灾危险、有害残留以及VOC排放等问题和弊端，超临界流体，特别是超临界CO2发泡聚合物是绿色制造技术，被工信部列入我国优先发展的产业关键共性技术，而且CO2进入聚合物后会引起熔点、表面张力和粘度下降、结晶行为改变等一系列变化，可以制备微孔甚至纳米泡孔材料。
聚丙烯是结晶聚合物，低温固态发泡受结晶限制，很难制备高发泡倍率产品；高温发泡聚合物熔体强度不够无法保持完整泡孔聚丙烯是什么材料，可操作窗口窄。因此，大规模制造具有稳定均匀泡孔形貌和外形尺寸的高发泡倍率微孔材料难度大。
为了攻克这一难题，近年来，华理赵玲团队联合无锡会通、中石化北化院、浙江新恒泰、镇海炼化等单位，在合适物料体系、可控工艺过程和高效工业装备等方面开展了超临界CO2发泡聚丙烯的优化、强化和工程化等系列工作，形成了“适合超临界CO2发泡的聚丙烯专用料”“分步/分段发泡新工艺”“优化构建流场结构实现高效规模制备”等三大技术创新优势：根据在低于其流动温度的可变形区发泡既可以突破结晶的制约又能保证发泡材料微孔结构和外形尺寸的稳定成型这一发泡机制，开发了兼具较宽发泡温度窗口和较强的CO2溶解扩散能力的聚丙烯发泡专用料，以及能有效改善泡孔结构和表观形态的新型功能助剂/添加剂；CO2变压饱和提高了过程效率和发泡倍率，气泡成核和生长的分段实施大幅减小了高压设备体积；釜压发泡、模压发泡等高压设备和聚合物预成型体的结构优化设计保证了均匀的压力场、温度场和速度场，成功实现了低密度聚丙烯微孔发泡材料的规模制造和柔性生产。
核心技术落地提升市场竞争力
瞄准新兴领域拓展高端应用
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利用上述创新技术，项目已成功建设了2套年产3万立方模压发泡装置，实现了低密度聚丙烯微孔厚板的世界领先制造；新建了4套、优化改造了3套年产4-6万立方的釜压发泡装置，生产效率提高25%，成品率提高到99%以上；发泡专用料已在镇海炼化生产；2016-2018年新增产值3.31亿，利税1.09亿。随着应用市场快速开拓，2019年共推广新建了13套装置，市场占有率高和竞争力强。
项目团队获得授权发明专利8件、实用新型专利8件；相关研究成果发表了46篇SCI/EI收录论文，“国外同行认为我们全面系统地研究了CO2间歇发泡聚丙烯行为。”赵玲说，科技查新表明，模压发泡的工程化技术达到国际领先水平，釜压发泡的优化与强化技术具有国内外新颖性。
“可以说，我们的项目引领了高性能聚丙烯微孔发泡材料的绿色制造和高端应用。”团队的底气，来源于“硬核”的技术和不断开拓的应用领域：全新的超临界CO2模压发泡技术通用性强，除聚丙烯外，还成功用于聚氨酯弹性体微孔发泡材料生产，并已经完成了多种热塑性聚合物及其复合材料的中试；釜压发泡各项技术指标与日本公司相当；开发的聚丙烯发泡专用料打破了国外公司的垄断；除广泛应用于汽车零部件和内饰、缓冲包装等传统领域，由于CO2发泡产品环保健康，很好地满足了儿童玩具、食品、医疗、家居用品等领域对绿色材料的需求；特别由于微孔赋予了聚丙烯一些优异的独特性能，聚丙烯微孔发泡材料不断地在新兴领域成功应用，包括新能源汽车动力电池垫片、5G通信微波中继天线罩、高档汽车音响振膜、防弹衣背板等等，产品附加值高。
领衔了“十三五”重点研发项目、推进了国家和行业标准制定、担任了国际发泡塑料期刊的副主编、培养一批聚合物发泡研发和生产高层次人才，赵玲教授带领的项目团队已成为国内顶尖、国际具有重要影响力的聚合物发泡研发团队。
“这只是起步，超临界CO2发泡制备轻质高强的聚合物材料很好地满足了塑料减量化、材料轻量化和制造绿色化的要求，发展前景广阔。”赵玲对团队及轻量化聚合物研发工作的未来充满信心。
作者 | 张婷
图片来源 | 受访者
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