央廣網上海9月17日消息（記者唐奇雲 通訊員張婷）日常生活中，當人們購買兒童玩具、家具用品等塑料製品時，都會十分在意其材質是否無毒無味、綠色環保，近年來綜合性能優異、可回收及易降解的聚丙烯發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）發泡聚合物技術是製備聚丙烯微孔發泡材料的關鍵核心技術。在第22屆工博會高校展區，華東理工大學化工學院教授趙玲領銜的「高性能輕量化聚合物材料的綠色高效製備」項目，聚焦的正是輕量化聚丙烯發泡材料的綠色製造和高端應用。該項目也是2019年度上海市科技進步獎一等獎項目。
無水發泡製備聚合物珠粒實驗裝置（央廣網發 華東理工大學供圖）
鎖定新材料發展重點領域，布局綠色製造新技術
輕量化材料已是我國新材料發展重點領域，發泡則是實現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、運動器械等行業的快速發展，對具有優異機械性能和絕熱、隔音、絕緣、緩衝等特性的聚合物發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，其高品質發泡材料的綠色製備一直是聚合物發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計劃「重點基礎材料技術提升與產業化」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泡工藝，開展聚合物輕量化的應用基礎—共性技術—產業化示範的「一條鏈式」研發工作。
據趙玲介紹，聚合物發泡有物理髮泡劑和化學發泡劑兩大類。化學發泡劑常常存在化學殘留、發泡過程難控制和不易獲得高發泡倍率等缺點；物理髮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，烷烴類發泡劑則易燃燒不安全。相比傳統發泡劑影響氣候、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，發泡聚合物是綠色製造技術，被工信部列入我國優先發展的產業關鍵共性技術，而且CO2進入聚合物後會引起熔點、表面張力和粘度下降、結晶行為改變等一系列變化，可以製備微孔甚至納米泡孔材料。
聚丙烯是結晶聚合物，低溫固態發泡受結晶限制，很難製備高發泡倍率產品；高溫發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，大規模製造具有穩定均勻泡孔形貌和外形尺寸的高發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合無錫會通、中石化北化院、浙江新恆泰、鎮海煉化等單位，在合適物料體系、可控工藝過程和高效工業裝備等方面開展了超臨界CO2發泡聚丙烯的優化、強化和工程化等系列工作，形成了「適合超臨界CO2發泡的聚丙烯專用料」「分步/分段發泡新工藝」「優化構建流場結構實現高效規模製備」等三大技術創新優勢：根據在低於其流動溫度的可變形區發泡既可以突破結晶的制約又能保證發泡材料微孔結構和外形尺寸的穩定成型這一發泡機制，開發了兼具較寬發泡溫度窗口和較強的CO2溶解擴散能力的聚丙烯發泡專用料，以及能有效改善泡孔結構和表觀形態的新型功能助劑/添加劑；CO2變壓飽和提高了過程效率和發泡倍率，氣泡成核和生長的分段實施大幅減小了高壓設備體積；釜壓發泡、模壓發泡等高壓設備和聚合物預成型體的結構優化設計保證了均勻的壓力場、溫度場和速度場，成功實現了低密度聚丙烯微孔發泡材料的規模製造和柔性生產。
趙玲教授在實驗室（央廣網發 華東理工大學供圖）
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
利用上述創新技術，2016年至今，項目已成功建設了7套年產3萬立方模壓發泡裝置，實現了低密度聚丙烯微孔厚板的世界領先製造；新建了6套、優化改造了3套年產4—6萬立方的釜壓發泡裝置，生產效率提高25%，成品率提高到99%以上；發泡專用料已在鎮海煉化生產。
項目團隊獲得授權發明專利13件、實用新型專利16件；相關研究成果發表了69篇SCI/EI收錄論文。「國外同行認為我們全面系統地研究了CO2間歇發泡聚丙烯行為。」趙玲說，科技查新表明，模壓發泡的工程化技術達到國際領先水平，釜壓發泡的優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泡材料的綠色製造和高端應用。」團隊的底氣，來源於「硬核」的技術和不斷開拓的應用領域：全新的超臨界CO2模壓發泡技術通用性強，除聚丙烯外，還成功用於聚氨酯彈性體微孔發泡材料生產，並已經完成了多種熱塑性聚合物及其複合材料的中試；釜壓發泡各項技術指標與日本公司相當；開發的聚丙烯發泡專用料打破了國外公司的壟斷；除廣泛應用於汽車零部件和內飾、緩衝包裝等傳統領域，由於CO2發泡產品環保健康，很好地滿足了兒童玩具、食品、醫療、家居用品等領域對綠色材料的需求；特別由於微孔賦予了聚丙烯一些優異的獨特性能，聚丙烯微孔發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」重點研發項目、推進了國家和行業標準制定、擔任了國際發泡塑料期刊的副主編、培養一批聚合物發泡研發和生產高層次人才，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泡研發團隊。「這只是起步，超臨界CO2發泡製備輕質高強的聚合物材料很好地滿足了塑料減量化、材料輕量化和製造綠色化的要求，發展前景廣闊。」趙玲對團隊及輕量化聚合物研發工作的未來充滿信心。