一种新颖的预发泡策略，用于调控二氧化碳的吸附与解吸行为，从而制备出低密度的热塑性聚氨酯（TPU）泡沫

提出一种新型预发泡策略，通过预发泡创造微胞结构，显著提高二氧化碳在TPU基体中的吸附量和扩散系数，使TPU泡沫膨胀比从未预发泡的不足4提升至16以上，有效降低材料强度并优化结晶结构。

　　
本文针对微孔发泡过程中气体扩散与吸附行为的调控难题，提出了一种创新的预发泡辅助发泡策略。研究以热塑性聚氨酯（TPU）为对象，通过系统实验揭示了预发泡处理对材料微观结构、气体扩散动力学及最终泡沫性能的影响机制，为高性能聚合物泡沫的制备提供了新思路。

**研究背景与意义**
聚合物泡沫因其轻质高强、隔热过滤等优异性能，在汽车、包装、航天等领域应用广泛。传统发泡技术存在泡孔分布不均、膨胀比受限等问题，尤其在TPU等弹性体材料中，气体扩散与泡孔生长动力学复杂。作者通过预发泡技术构建微孔结构，成功突破传统发泡膨胀比低于4的瓶颈，最高实现16倍膨胀，显著提升材料性能。

**核心创新方法**
1. **预发泡结构构建**
采用超临界CO2发泡制备预发泡TPU样品（F1.2-F2.0），通过梯度调整温度（88-104℃）与压力（1500 psi），在材料中形成均匀分布的微孔结构。预发泡阶段产生的空隙成为后续发泡的气体存储库，形成"双重发泡"机制。

2. **气体扩散动力学调控**
实验发现预发泡样品的CO2吸附量较未处理样品提升最高达92.8%，扩散系数增幅达54%-111%。通过破坏TPU链间氢键网络（FTIR证实N-H和C=O特征峰强度降低），降低材料粘弹阻力，同时保留结晶结构提升机械强度。

3. **发泡窗口优化**
开发了双阶段发泡工艺：首先通过低温高压（50-70℃/1000 psi）预发泡建立微孔骨架，随后在更高温度（105-130℃）进行二次发泡。该策略将传统发泡温度窗口（110-120℃）扩展至更宽范围，使材料在120℃时仍能保持高膨胀效率。

**关键实验发现**
1. **微观结构演变**
- 预发泡样品呈现典型双连续结构（SEM显示F2.0平均孔径14.5μm，密度2.3×10^6孔/m3）
- 晶体结构优化：DSC显示预发泡样品熔点提升26%（93.7℃→110.4℃），结晶度下降但晶格完整性增强
- 氢键网络重构：FTIR分析表明N-H和C=O键合密度降低40%-60%，但结晶区占比维持稳定

2. **气体行为特性**
- 吸附动力学：预发泡样品在相同压力下达到吸附平衡时间缩短30%-50%
- 扩散系数：吸附侧扩散系数提升54%（F1.2→F2.0），脱吸侧达111%
- 存储机制：通过形成气泡内胆结构（图10示意），CO2在预发泡孔中形成物理吸附，在二次发泡时实现"气液两相"协同释放

3. **泡沫性能突破**
- 膨胀比：传统发泡（U1.0）最大仅3.8倍，预发泡辅助发泡（F2.0）达16.3倍
- 细胞结构：二次发泡后形成5-12μm均匀泡孔（图12），密度1.2×10^6-3.8×10^6孔/m3
- 机械性能：拉伸强度提升40%，压缩模量降低25%，兼具高弹性与低密度特性

**技术优势分析**
1. **工艺简化**
预发泡阶段完成主要气体吸附与孔结构形成，二次发泡仅需短时（<10分钟）完成体积膨胀，能耗降低35%。

2. **性能可调性**
通过控制预发泡倍率（1.2-2.0）与二次发泡温度（105-135℃），可精准调节最终泡沫密度（15-40 kg/m3）与开孔率（>85%）。

3. **环境友好性**
采用超临界CO2（99.9%纯度）作为发泡剂，实现无溶剂、无添加剂制备，碳排放量较传统工艺降低60%。

**工业化应用前景**
该技术可扩展至工程塑料（如PP、PET）及橡胶基材料，通过预发泡参数（温度、压力、时间）与二次发泡条件的优化组合，实现：
- 轻量化：密度可低至30 kg/m3（相当于空心的金属结构）
- 模具适应性：支持复杂形状（>100 mm3）泡沫成型
- 成本控制：预发泡阶段可回收未吸附气体，利用率达92%

**技术挑战与改进方向**
1. **孔结构稳定性**
高膨胀比样品（>15倍）易出现孔壁塌陷，需通过表面活性剂添加（如聚氧乙烯类）改善界面张力。

2. **工艺窗口控制**
现有方法在70-90℃区间存在热降解风险，建议引入动态温控系统（精度±1℃）。

3. **规模化生产**
当前实验室级制备（厚度7mm）需优化设备压力梯度（建议采用5级递进式加压）。

本研究为聚合物发泡技术提供了"结构预成型-气体协同释放"的新范式，相关专利已进入实质审查阶段（申请号CN2022XXXXXXX），预计2025年可实现年产10万吨的工程化生产线。