通过一种基于丙酮凝胶的气体溶解发泡新方法，快速且可调节地制备出无皮、开孔结构的微孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料

《Polymer》：Fast and tunable fabrication of skinless, open-cell microcellular PMMA via a novel acetone-gel-based gas dissolution foaming approach

　　

M. Fernández-de la Fuente | V. Bernardo | M.A. Rodríguez-Pérez | J. Martín-de León

摘要

本研究探讨了一种利用丙酮辅助的气体溶解发泡方法，用于制备具有高开孔率、可调细胞形态、无固体表皮层且加工效率提升的微孔聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）泡沫。该方法基于使用PMMA-丙酮凝胶前驱体，并结合二氧化碳（CO₂）作为物理发泡剂，旨在提高加工效率和形态控制能力，相较于传统的固体前驱体具有显著优势。为实现这一目标，采用了两种将丙酮引入PMMA的策略：一是通过溶剂蒸汽吸附来降低丙酮含量（最高可达50%）；二是通过直接物理溶解来提高丙酮浓度（最高可达150%）。丙酮的存在显著降低了PMMA的粘度，尤其是在零剪切条件下。这些粘度差异影响了CO₂辅助发泡过程中的细胞成核和生长行为。此外，丙酮还能降低材料的玻璃化转变温度，在较低浓度（约20%）时便降至室温以下，在最高丙酮含量（150%）时甚至降至-7.7°C，从而实现了在55°C的低温下进行一步发泡的过程，并将饱和时间缩短了63%。使用校准的气相色谱法进行的定量溶解度测量表明，CO₂在PMMA中的溶解度随丙酮含量的变化仅较小（约27-33%），这说明丙酮并未显著增强CO₂的吸收作用，而是通过调节凝胶前驱体的粘度来影响发泡过程。因此，增加凝胶前驱体中的丙酮含量能够系统地调控细胞形态。含有25%丙酮的凝胶平均孔径为10 ± 8 μm，细胞成核密度为4.29 × 10¹²个/cm³；而含有150%丙酮的凝胶平均孔径显著增大至68.13 μm，成核密度则降至3.78 × 10⁷个/cm³。重要的是，丙酮促进了高度开孔结构的形成（开孔率可达98%），同时有效防止了致密表皮层的产生，从而得到了完全多孔的PMMA泡沫。这种丙酮辅助的发泡方法实现了前所未有的形态控制与加工效率，为先进PMMA微孔材料在热绝缘（VIP芯材）、声学吸收、振动阻尼、过滤、分离膜、渗透、催化、组织工程和传感器技术等领域开辟了新的应用途径。