日本产综研,用纳米颗粒实现更加细腻均匀的发泡材料

新技术 2018年12月05日
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日本产业技术综合研究所(以下简称“产综研”)与日本“先端素材高速开发技术研究组合”合作,开发出了使塑料(聚合物)发泡变得更加细腻均匀的方法。

研发小组首先利用计算机模拟,发现了通过“抗成核剂”的原理控制发泡的可能性。新方法不像以往那样把成核剂作为发泡的起点,而是使用抗成核剂有效抑制聚合物气泡的生长和聚结。而且,研发小组还通过制造工艺和测量技术证实,利用抗成核剂可以制作微细气泡均匀分散的发泡塑料。此次的成果有助于今后开发高性能隔热材料和轻量高强度材料等新材料,还有望大幅缩短新材料的研发时间。

此次验证的新原理“抗成核剂”对聚合物发泡的效果

此次验证的新原理“抗成核剂”对聚合物发泡的效果

聚合物泡沫(发泡聚合物)广泛应用于隔热材料、减震材料、隔音材料及轻量结构材料等。通常的发泡聚合物的制作方法是,在高压下将二氧化碳等发泡气体溶解在聚合物中,然后迅速降压,未溶解的气体就会在聚合物中形成气泡。发泡聚合物的性质很大程度上取决于孔隙率和气泡直径。市售的发泡聚合物的气泡直径通常为数十~数百微米(μm)。

最近,气泡直径不到1μm的发泡聚合物(纳米泡沫)备受瞩目。纳米泡沫拥有高孔隙率和均匀的气泡直径,隔热性能优异,理论预测还具备透光性,各国都在推进开发。不过,纳米泡沫难以同时实现高孔隙率和细腻均匀的气泡直径,目前尚未开发出实用材料。

产综研发现,要想实现具备高孔隙率和均匀发泡结构的纳米泡沫,成核剂就必须采用尺寸比气泡更小的纳米颗粒,而且要设计更加高效的成核剂,因此,着眼点应该是聚合物与成核剂之间的化学相互作用。相关研究小组构筑了含有纳米颗粒的聚合物模型,利用粗粒度分子动力学法模拟了发泡过程(图1)。把聚合物的膨胀率(发泡速度)与成核剂和聚合物的相互作用潜力系数(ε)作为影响结构的参数。发现ε的数值越大,引力越强,亲和性越高。模拟时采用的计算软件是OCTA。

含有纳米颗粒的聚合物发泡的模拟结果

图1:含有纳米颗粒的聚合物发泡的模拟结果

通过模拟发现,当聚合物与成核剂的亲和性较高、聚合物的发泡速度较快时,气泡从聚合物的内部、而非添加的纳米颗粒表面开始形成,形成了均匀的微细发泡结构。这个结果与以往的成核剂常识和功能完全不同。

研发小组还利用实际的发泡聚合物确认了这个模拟结果。首先制作了在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中分散各种无机类纳米颗粒的试料,采用二氧化碳(CO2)作为发泡气体制作了发泡聚合物。然后利用X射线CT和扫描型电子显微镜(SEM),分别观察了含无机类纳米颗粒钯(Pd)以及含现有成核剂二氧化硅(SiO2)纳米颗粒的PMMA的发泡结构(图2)。

含有Pd纳米颗粒和SiO2纳米颗粒的PMMA的发泡结构  (左)X射线CT图像、(右)SEM图像

图2:含有Pd纳米颗粒和SiO2纳米颗粒的PMMA的发泡结构 (左)X射线CT图像、(右)SEM图像

含Pd纳米颗粒的PMMA泡沫虽然发泡倍率不太高,但几乎看不到大气泡和直径1μm以上的气泡,直径约700nm的气泡非常均匀地分布于整体。此外,研发小组优化测量条件后以1μm以下的分辨率观察确认,Pd纳米颗粒的分布也很均匀。另一方面,含现有成核剂SiO2纳米颗粒的泡沫中既有200nm左右的小气泡,也有10μm以上的大气泡。

图3是利用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对含Pd纳米颗粒的PMMA泡沫进行观察获得的图像。在含SiO2纳米颗粒的PMMA泡沫中,能看到很多颗粒与气泡接触或者包含在气泡中的结构,表明颗粒是发泡的起点。而在含Pd纳米颗粒的PMMA泡沫中观察到的大多数纳米颗粒都被包埋在聚合物内部,颗粒表面未发现气泡和孔隙,这表明发泡是从聚合物内部开始发生的,纳米颗粒并非发泡起点。这个结果跟聚合物与颗粒之间的亲和性较高时的模拟结果定性一致。

含Pd纳米颗粒的PMMA泡沫的HRTEM图像

图3:含Pd纳米颗粒的PMMA泡沫的HRTEM图像

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