多孔塑料因其低密度、高孔隙度、隔音、隔熱等優異性能而被廣泛用于交通、航空航天、個人防護等領域。多孔塑料的孔結構（包括孔隙度、孔徑大小及其分布、孔形狀等）對其性能有著重要影響。然而，從結構復雜性和性能優化的角度，目前的多孔塑料還遠遠落后于骨骼和木材等天然多孔材料。這主要是由于多孔塑料的傳統致孔方法在孔結構的多樣性調控方面還存在局限。
針對這一挑戰，柏浩課題組開發了一種乳液冰模板法，用于制備孔結構和成分在空間分布上更多樣的多孔塑料。相比于傳統的發泡方法，以冰為模板，具有環保、安全的優點。更重要的是，通過設計溫度場和化學組成，可以賦予多孔塑料豐富的孔形貌（如仿木取向結構、多層結構等）和多性能。此外，該方法適用于不同的樹脂單體，也可與功能納米材料復合。所制備的新型多孔塑料在眾多工程領域都具有廣闊的應用前景。
這一方法主要包含單體乳液的定向冷凍、低溫聚合以及室溫解凍干燥等步驟（如圖1）。
圖1. 乳液冰模板法制備多孔塑料的過程示意圖。
傳統冰模板法往往只適用于可溶解和分散于水中的體系。這一研究將冰模板法的適用范圍拓展到了疏水聚合物材料體系。此外，通過室溫干燥替代冷凍干燥，可以更方便地制備大尺寸樣品，并降低能耗，使該技術具有工業化應用前景。
該團隊在顯微鏡下原位觀察了乳液液滴在定向冷凍條件下的組裝、聚并和低溫聚合過程。系統研究了乳化劑類型和用量、乳液液滴尺寸等對多孔塑料孔壁缺陷和性能的影響。
通過溫度場設計，該團隊制備了具有多種復雜孔結構和化學組成分布的多孔塑料，展示了該方法的優越性和可拓展性（圖2）。
圖2. 采用乳液冰模板法制備的多孔塑料的形貌及化學組成多樣性。
例如，通過特殊的冷凍方式，成功制備了具有負泊松比性質的多孔塑料，并初步展示了這類材料在吸能方面的應用。
以上成果發表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 2001222)上。博士生李德文為第一作者，柏浩研究員為通訊作者，其他作者包括羅英武教授、碩士生卜曉辰和博士后許宗溥。
該研究得到了國家自然科學基金（51722306, 51603182, 21674098），國家重點研發計劃（2017YFC1103900），中央高校科研業務費（2018XZZX002-15），以及化學工程聯合國家重點實驗室（SKL-ChE-20T06）的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202001222
