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中科院長春應化所唐濤團隊 Compos. Part A：高性能氯化聚氯乙烯/聚脲納米復合泡沫的制備及其升級回收

2023-12-15 來源：高分子科技

隨著社會的高速發展，人們對聚合物材料的使用性能提出了更高的要求，同時這些材料引起的環境污染問題也引起了人們越來越多的關注。聚合物材料的全生命周期設計成為了一種有效的解決方案，其中包括實現材料制備過程的節能化、功能應用的高性能化以及服役后的可利用性。為此，近年來，中國科學院長春應用化學研究所唐濤研究員課題組將反應性增塑和反應誘導相分離與超臨界CO₂發泡技術相結合，提出了“增塑-發泡-增強”（PFR）結構功能一體化策略，成功制備出兼具高性能和可再加工性的聚氯乙烯/聚脲納米復合泡沫（Chem. Eng. J. 2022, 450, 138071.）、聚苯醚/聚脲納米復合泡沫（Compos. Commun. 2023, 40, 101589.）以及苯乙烯-丙烯腈共聚物/聚脲納米復合泡沫（Compos. Part B 2023, 264, 110908.）。PFR策略不僅可以顯著改善聚合物的熔融加工性和超臨界發泡性能，而且由于原位形成了獨特的納米級海-島微相分離結構，所得納米復合泡沫展現出優異的機械性能、耐溶劑性、形狀記憶以及可再加工性，實現了材料結構設計上熱塑性與熱固性的有機結合。這類輕質高強泡沫材料在航空、航天、艦船、陸上交通運輸、建筑等領域具有廣闊的應用前景。

氯化聚氯乙烯（CPVC）作為一種應用前景廣闊的新型工程塑料，具有比PVC更為出色的綜合性能。然而，由于熔體粘度高且熱穩定性仍然相對較差，其難以采用超臨界發泡制備出輕質、高性能泡沫材料，并且不適于通過機械回收。同時，在化學回收中也容易生成強毒性化合物二噁英的前驅體氯代芳烴化合物。目前，對于PVC等含氯聚合物的化學回收，主要是先利用金屬氧化物或強堿脫氯，再通過碳化回收，制備功能性碳材料。然而，低效率以及大量金屬殘留又帶來了新的問題。而且，以上回收方法，都會破壞材料原有的3D微結構。因此，含氯聚合物基材料的全生命周期設計，目前仍面臨較大挑戰。

針對以上問題，近期，中國科學院長春應化所唐濤研究員課題組采用PFR策略與催化碳化相結合，制備了一種高性能、可升級回收的氯化聚氯乙烯/聚脲（CPVC/PUA）納米復合泡沫（圖1）。一方面，利用多亞甲基多苯基多異氰酸酯（PMDI）的增塑作用，采用超臨界CO₂發泡工藝，在較溫和的條件下成功制備具有優異隔熱性能的輕質CPVC基泡沫材料（膨脹倍率最高可達62倍）。另一方面，該方案通過PMDI水解交聯，在CPVC基體中原位形成納米尺寸PUA相，使泡沫材料的性能獲得提高，實現了高抗壓強度的同時，還具有高玻璃化轉變溫度（最高達176℃）、優異的耐溶劑性以及獨特的火焰觸發形狀記憶行為。此外，由于PUA中的脲基作為氫鍵供體，可以原位催化CPVC在更低溫度下發生交聯成碳，因此所得泡沫具有十分出色的本征阻燃性和耐燒蝕性能。這種碳化行為也使得該泡沫材料在服役結束后，可以直接升級回收為具有良好電磁屏蔽性能的功能性碳泡沫，同時可以有效抑制碳化過程中氯代芳烴化合物的形成。該工作以“High-performance chlorinated polyvinyl chloride/polyurea nanocomposite foam with excellent solvent resistance, flame-triggered shape memory effect and its upcycling”為題發表在《Composites Part A》上（Compos. Part A 2024, 177, 107931.）。第一作者為中國科學院長春應化所博士研究生游江岸（2023年12月通過人才引進加入新疆大學化學學院），通訊作者為姜治偉副研究員和唐濤研究員。