多孔闭孔聚合物泡沫中的水分吸收

《Polymer Engineering & Science》：Moisture Absorption in Highly Porous Closed-Cell Polymeric Foams

　　

聚合物泡沫，尤其是闭孔泡沫，极易吸收水分，这会改变密度等关键性能，并最终降低其功能表现。因此，准确预测水分扩散对于估计其长期耐久性至关重要。本研究调查了现有吸收模型在捕捉聚合物泡沫中水分吸收行为方面的能力和局限性。传统的一维阻滞扩散模型（1D-HDM）被扩展为新的孔隙填充阻滞扩散模型（VF-HDM），该模型考虑了闭孔孔隙率。通过将闭孔孔隙率纳入模型，解释了泡沫厚度对水分吸收的影响。为了验证VF-HDM，研究人员在闭孔ROHACELL WF-71泡沫上进行了水分吸收实验。该模型通过量化闭孔内储存的水分，成功捕捉了与不同泡沫厚度相关的独特吸收行为。实验结果表明，厚度和孔隙率差异可导致最大吸收水分变化高达62%。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
聚合物泡沫，特别是闭孔（closed-cell）泡沫，具轻质、隔热、吸声等特性，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而，这些泡沫极易吸收水分，导致密度增加、力学性能下降，影响长期耐久性。现有水分吸收模型，如Fickian扩散模型或传统的一维阻滞扩散模型（1D-HDM），虽能描述聚合物中的非Fickian行为，但无法解释闭孔泡沫中因厚度变化引起的吸收差异。实验观察表明，微结构相同的泡沫，厚度不同时最大吸湿量可相差显著，这归因于闭孔孔隙率（porosity）随厚度改变。因此，亟需一种能准确预测闭孔泡沫吸湿行为、并考虑孔隙率与厚度效应的方法。

**研究目的与意义**
本研究旨在开发一个新的解析模型——孔隙填充阻滞扩散模型（VF-HDM），该模型扩展了1D-HDM，通过引入闭孔内存储水分状态，解释泡沫厚度对吸湿动力学的影响。研究结果对夹层复合材料、海洋结构及绝缘材料的设计具有重要指导意义。论文发表在《Polymer Engineering》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下方法：使用气体置换比重计（Accupyc II 1340）测量泡沫密度，计算孔隙率；利用扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构，通过ImageJ软件量化孔径；进行为期约2年的浸水实验（25°C蒸馏水），定期称重获取质量增益数据；基于梯度优化算法，将VF-HDM理论预测与实验数据拟合，反演吸收参数。样本来源为Evonik Industries提供的Rohacell WF-71闭孔泡沫板（厚度3、6、9 mm）。

**研究结果**
**4.1 聚合物泡沫厚度依赖性孔隙率的实验研究**
通过密度测量和SEM图像分析，发现3、6、9 mm泡沫的密度分别为0.160、0.110、0.103 g/cm3，孔隙率分别为76%、84%、85%。薄泡沫因切割暴露出更多表面开孔，导致有效孔隙率降低。闭孔与固体体积比ζ（ζ = v_v/v_m）相应为3.15、5.10、5.60。

**4.2 泡沫样品实验水分吸收**
浸水实验显示，3、6、9 mm泡沫的最大质量增益分别为约674、1005、1092 wt%。薄泡沫吸湿量显著低于厚泡沫，归因于其较低孔隙率减少了闭孔内可存储的水分。

**4.3 孔隙填充阻滞扩散模型验证**
VF-HDM拟合实验数据，得到一致的聚合物相关参数：扩散系数D = 4.86×10^-2 mm²/hr，β = 1.45×10^-3 hr^-1，γ = 0.71×10^-2 hr^-1，μ = 4.9，以及最大未结合水分M_∞,unbound = 32.8 wt%，最大结合水分M_∞,bound = 160.6 wt%。不同厚度泡沫的最大存储水分M_∞,stored分别为480.1、811.4、899.0 wt%，解释了总吸湿量差异。VF-HDM预测与实验数据吻合良好（均方根误差0.016/data），并通过戳破泡沫孔隙后压缩测量存储水分（预测480.1 wt%，实测498.8 wt%，误差3%）验证了模型准确性。

**讨论与结论**
模型分析表明，孔隙率增大导致单位时间内更多未结合水分转化为存储水分，减缓未结合水分扩散，同时使结合水分积累变慢。VF-HDM成功捕捉了不同厚度泡沫的吸湿差异，将额外水分归因于闭孔内存储。研究结论部分翻译如下：
本文提出了新的一维孔隙填充阻滞扩散模型（VF-HDM），该模型将1D阻滞扩散模型（1D-HDM）扩展至多孔介质，通过引入存储水分状态，并利用闭孔与固体体积比缩放最大水分含量及未结合-结合转化速率，解释了泡沫厚度对吸湿的影响。通过Rohacell闭孔泡沫验证，表明微结构相同但厚度不同的泡沫因表面开孔导致孔隙率差异，进而影响吸湿量。VF-HDM使用统一吸收参数准确预测了不同厚度泡沫的吸湿行为，将额外水分归因于闭孔填充。模型揭示了孔隙率对未结合、结合及存储三种水分状态的影响。综上所述，VF-HDM成功预测并解释了不同孔隙率泡沫的吸湿行为，为工程应用（尤其是夹层复合材料结构）提供了实用工具，并可推广至其他高孔隙率闭孔聚合物泡沫。