文章重要内容
中国科学院宁波材料所庞永艳研究员/郑文革研究员团队与中国科学院长春应用化学研究所陈全研究员合作，系统阐明了样品厚度和饱和压力对聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)发泡行为和发泡窗口的影响规律，为PS/PMMA共混、复合及交替多层发泡材料的制备开发提供了有力支撑。
文章背景
聚合物发泡材料因轻质及多孔结构赋予的各种功能，在包装、建筑、汽车、鞋材、运动器材、航空航天、风力发电等领域具有越来越广泛的应用。 PS发泡材料以膨胀倍率大著称，广泛用于包装、头盔、汽车内饰、建筑保温；PMMA常用于制备纳米泡孔结构，从而开发超级隔热材料。这些决定了PS与PMMA发泡材料的制备及应用一直备受学术界和产业界的高度关注。PS和PMMA的发泡备受关注与这两种聚合物的物性特点有很大关系：(1) PS与PMMA同为非晶聚合物，发泡行为和泡孔结构的影响因素相对较少；(2) 二者的玻璃化转变温度比较接近，决定了二者具有比较接近或重叠的发泡温度区间；(3) 在合适的饱和压力下，PMMA比PS对CO2有更大的吸附量，发泡后可形成更大的泡孔密度；(4) PS/PMMA共混体系为经典的热力学不相容体系，为研究两相的泡孔结构差异提供了先决条件。这些决定了PS和PMMA常用于共混、复合及交替多层体系的发泡研究。关于PS/PMMA共混体系的发泡研究发现，相区大小是决定泡孔结构的关键因素，且PS相和PMMA相对于饱和压力的敏感程度不同。关于PS/PMMA交替多层体系的发泡研究发现，PS和PMMA的层厚度对于交替多层泡孔结构的转变具有决定作用，且交替多层材料的发泡对压力增大极为敏感。然而，PS和PMMA两种聚合物的发泡行为的研究还不够系统深入，这主要体现在二者在不同厚度、不同饱和压力下对CO2的吸附、发泡行为、发泡温度窗口、泡孔结构等方面尚缺乏系统研究，严重影响对PS/PMMA共混、复合及交替多层体系发泡行为的深入认识和对泡孔结构的有效控制。
文章概述
中国科学院宁波材料所庞永艳研究员/郑文革研究员团队与中国科学院长春应用化学研究所陈全研究员合作，系统研究了样品厚度和饱和压力对PS和PMMA发泡行为和发泡窗口的影响规律。首先，研究了样品厚度和饱和压力对PS和PMMA对CO2吸附行为的影响。图1显示，饱和压力增大，PS和PMMA对CO2的饱和吸附量均增大，相同饱和压力下，PMMA的饱和吸附量更大；在较小的饱和压力下，厚度越大，PMMA对CO2的吸附越慢。
图1 厚度为0.25 mm 和 1 mm 的PS和PMMA样品在不同饱和压力下对CO2的吸附曲线: (a) 2 MPa, (b) 3 MPa 和 (c) 4 MPa
然后，利用釜压发泡法制备了PS和PMMA发泡材料，并研究了厚度和饱和压力对泡孔结构(图2)和膨胀倍率的影响。厚度和饱和压力显著影响PS和PMMA的泡孔结构和膨胀倍率，饱和压力增大，CO2的塑化作用增强，厚度对PMMA的发泡影响更显著。
图2 PS和PMMA在3 MPa下饱和然后在不同温度下发泡后的泡孔结构(红色虚线代表对应厚度样品的合适发泡温度的大致上下限)
最后，根据泡孔结构和膨胀倍率确定了发泡温度的上下限，界定出了发泡温度窗口，并探讨了厚度和饱和压力对发泡温度窗口的影响规律。图3显示，饱和压力增大，PS和PMMA的发泡温度上下限均向低温方向移动，PMMA对厚度和保压压力的变化更敏感，PMMA比PS的发泡温度窗口更窄。
图3 不同厚度的PS和PMMA的发泡温度窗口对饱和压力的依赖性: (a1) 0.25 mm, (a2) 1 mm, (b1) PS 和 (b2) PMMA
本文研究发现，样品厚度和饱和压力显著影响PS和PMMA的发泡行为、泡孔结构、膨胀倍率和发泡温度窗口。增大样品厚度，可导致发泡下限温度升高；减小样品厚度，可导致发泡上限温度降低。PMMA的发泡比PS更容易受样品厚度和饱和压力变化的影响：较薄的PMMA样品的发泡温度上限对压力增大比较敏感，较厚的PMMA样品的发泡温度下限更容易受样品厚度的影响。本文基于厚度和饱和压力对PS和PMMA发泡行为的研究结果，为PS/PMMA共混、复合及交替多层发泡材料的制备开发提供了理论和实验基础。
上述工作即将以研究论文形式在《高分子学报》2025年第6期印刷出版。本论文第一作者为中国科学院宁波材料所与宁波大学联培硕士生吴王坚，通信联系人为中国科学院宁波材料所庞永艳研究员。
引用本文：
吴王坚,庞永艳, 陈汉龙, 陈全, 郑文革 .
PS和PMMA的发泡温度窗口对厚度和饱和压力的依赖性研究.
高分子学报, 2025, 56(6), 1028-1040 Wu, W. J.; Pang, Y. Y.; Chen, H. L.; Chen, Q.; Zheng, W. G.
Dependence of foaming temperature window of polystyrene and poly(methyl methacrylate) on thickness and saturation pressure.
Acta Polymerica Sinica, 2025, 56(6), 1028-1040CSTR: 32057.14.GFZXB.2025.7362
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