PVC的凝胶化程度对其超临界CO?发泡行为和机械性能的影响

《The Journal of Supercritical Fluids》：Effect of gelation degree of PVC on its supercritical CO 2 foaming behavior and mechanical properties

PVC通过超临界CO2发泡制备过程中，凝胶化程度调控直接影响CO2溶解扩散及发泡行为，63.2%凝胶化度实现最大膨胀比11，同时平衡熔体强度与扩散速率。

　　聚氯乙烯（PVC）作为一种合成高分子材料，因其优异的阻燃性、耐老化性和化学稳定性，在工业生产中得到了广泛应用。随着对环保材料需求的增加，PVC泡沫材料的研究和开发也逐渐受到重视。PVC泡沫不仅保留了传统泡沫材料的轻质特性，还进一步提升了材料的耐腐蚀性、疏水性和阻燃性，因此被广泛应用于海洋、风能、运动器材、交通运输和航空航天等领域。特别是在复合材料中，PVC闭孔泡沫因其优异的强度与重量比，常被用作夹层结构的芯材，以满足对耐损性和减重性能的要求。

PVC的泡沫化过程通常依赖于吹泡剂的引入，而传统的化学吹泡剂虽然能够有效实现泡沫化，但在反应控制、温度稳定性以及环保性方面存在诸多挑战。近年来，超临界二氧化碳（SC-CO?）作为一种非毒性、非易燃、环保且成本低廉的物理吹泡剂，逐渐成为研究热点。SC-CO?在PVC泡沫化过程中展现出良好的可控性和环境友好性，为开发高性能且可持续的泡沫材料提供了新的思路。

在PVC泡沫化过程中，材料的凝胶度是一个关键参数。凝胶度是指在熔融状态下，PVC颗粒之间形成的三维网络结构的程度。这一特性不仅影响材料的加工性能，还直接决定了泡沫的微观结构、膨胀倍率以及最终的机械性能。因此，对PVC凝胶度的调控成为实现高质量泡沫材料的重要手段。本研究通过系统调控PVC的加工条件，制备出具有不同凝胶度的PVC样品，并探讨其在超临界二氧化碳泡沫化过程中的表现。

实验发现，随着PVC凝胶度的提高，材料内部的交联点增多，网络结构变得更加致密。这种结构变化不仅限制了熔体的流动性，还显著提升了材料的储能模量和损耗模量，表明其粘弹性得到了增强。值得注意的是，当凝胶度从29.9%提升至74.2%时，二氧化碳的扩散系数从4.73×10?1? m2/s降至9.43×10?12 m2/s，显示出凝胶度对二氧化碳扩散行为的显著影响。凝胶度的增加有效降低了二氧化碳在熔体中的扩散速率，从而有助于形成更均匀、更稳定的泡沫结构。

在本研究中，研究人员选择了63.2%凝胶度的PVC样品进行深入分析，发现该样品在超临界二氧化碳泡沫化过程中表现出最佳的熔体强度和较低的二氧化碳扩散速率，最终实现了高达11倍的膨胀比。这一结果表明，通过精确控制PVC的凝胶度，可以在不影响材料性能的前提下，有效优化泡沫的形成过程。这为未来开发高性能、环保型PVC泡沫材料提供了重要的理论依据和技术支持。

此外，研究还指出，传统化学泡沫化方法虽然能够实现较高的材料强度和刚度，但其工艺过程往往伴随着复杂的反应控制问题，例如局部温度波动和有害气体排放等。相比之下，超临界二氧化碳泡沫化技术因其良好的可控性和环保性，被认为是一种更为理想的替代方案。然而，以往的研究主要集中在配方调整和吹泡剂选择上，较少关注PVC凝胶度对泡沫化过程的具体影响。

本研究通过系统的实验设计，揭示了PVC凝胶度与泡沫化行为之间的内在联系。研究人员使用扭矩流变仪对不同加工条件下PVC的凝胶度进行了测量，并据此制备出具有不同凝胶度的样品。随后，通过超临界二氧化碳泡沫化实验，分析了凝胶度对泡沫结构、膨胀倍率和机械性能的影响。实验结果表明，凝胶度的提高有助于形成更致密的泡沫结构，同时增强材料的粘弹性特性，从而改善泡沫的稳定性与力学性能。

在材料制备方面，研究人员采用了多种添加剂，包括PVC树脂、润滑剂（硬脂酸钙）、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、丙烯酸类加工助剂（ACR-ZB-401）、氯化聚乙烯（CPE-135A）、聚乙烯蜡（BN-200）和液态钙锌稳定剂（CZ-106-6H）。这些材料的选择和配比对最终泡沫的性能起到了至关重要的作用。通过调整加工温度和时间，研究人员能够有效地控制PVC的凝胶度，从而优化其泡沫化行为。

实验过程中，研究人员还特别关注了超临界二氧化碳在PVC熔体中的溶解和扩散行为。结果显示，随着凝胶度的增加，二氧化碳的溶解度和扩散速率均有所下降。这一现象可能是由于凝胶度的提高导致熔体内部的结构更加紧密，从而减少了二氧化碳的可扩散空间。此外，凝胶度的提升还增强了熔体的粘弹性，使其在泡沫形成过程中表现出更强的结构稳定性，有助于形成更均匀的细胞结构。

本研究的创新之处在于，首次系统地探讨了PVC凝胶度对超临界二氧化碳泡沫化过程的影响。通过对不同凝胶度样品的对比分析，研究人员明确了凝胶度在调控泡沫结构和性能中的关键作用。这一发现不仅有助于优化PVC泡沫的加工工艺，还为开发新型环保材料提供了新的研究方向。同时，该研究也为相关领域的工业应用提供了理论指导，有助于提升PVC泡沫材料的性能和加工效率。

总的来说，本研究通过调控PVC的凝胶度，成功实现了对材料泡沫化行为的控制。实验结果表明，凝胶度的提升可以显著改善PVC泡沫的结构和力学性能，同时降低二氧化碳的扩散速率，从而提高泡沫的稳定性。这一成果为未来PVC泡沫材料的开发和应用提供了重要的参考价值，也为推动环保型材料的研究奠定了基础。随着对高性能、可持续材料需求的不断增长，PVC泡沫材料的研究将继续深入，有望在更多领域中发挥重要作用。