國家重點研發(fā)計劃重點基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化重點專項項目聚合物材料的輕量化技術(shù)(2016YFB0302200)

隨著我國航天航空、國防、能源、交通、包裝、電器、運動器械等行業(yè)的快速發(fā)展，對輕量化的高性能材料需求越來越迫切。具有優(yōu)異機械性能和絕熱、隔音、絕緣、緩沖等特性的高性能聚合物發(fā)泡材料及其制造技術(shù)受到廣泛關(guān)注，可以為眾多關(guān)系國計民生的行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)基礎(chǔ)原材料。

采用以二氧化碳(CO2)和氮氣等為代表的超臨界流體作為環(huán)境友好和安全易用的發(fā)泡劑進行聚合物輕量化材料制備，屬于綠色制造新技術(shù)。工業(yè)和信息化部發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南(2015年)》中明確提出“超臨界二氧化碳發(fā)泡塑料制品產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”是優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)。超臨界流體發(fā)泡工藝具有飽和時間短、成核速率高、泡孔尺寸小、泡孔密度高且泡孔形態(tài)容易控制等特點，被廣泛應(yīng)用于制備微孔甚至納孔材料，近20年發(fā)展迅速，已由理論和實驗研究陸續(xù)轉(zhuǎn)化為工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。

本項目運用綠色高效發(fā)泡工藝，開展聚合物輕量化的應(yīng)用基礎(chǔ) - 共性技術(shù) - 產(chǎn)業(yè)化示范的“一條鏈式”研究，并主要針對油氣儲運專用高強度聚氨酯絕熱材料制備和超臨界流體發(fā)泡聚丙烯、聚酯、聚酰胺和聚氨酯彈性體(TPU)等熱塑性聚合物，從發(fā)泡原材料體系、發(fā)泡工藝、發(fā)泡設(shè)備、發(fā)泡材料結(jié)構(gòu) - 性能調(diào)控及制件成型等各方面開展系統(tǒng)深入的研究工作，為高性能聚合物發(fā)泡材料制備的“優(yōu)化、強化和工程化”提供理論和技術(shù)支撐，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列聚合物發(fā)泡材料先進制造技術(shù)，并進行產(chǎn)業(yè)化示范。

項目圍繞“聚合物及其復(fù)合材料體系的多層次多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計、發(fā)泡過程與發(fā)泡體結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)系”、“超臨界流體、聚合物及其復(fù)合材料體系的混合及熱/質(zhì)傳遞過程強化”等重要科學問題，設(shè)置了應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題“超臨界流體發(fā)泡聚合物過程及發(fā)泡材料結(jié)構(gòu) - 性能調(diào)控”和“反應(yīng)與發(fā)泡過程耦合制備聚合物發(fā)泡材料及其結(jié)構(gòu) - 性能調(diào)控”，采用多尺度分子模擬、實驗研究、過程模擬相結(jié)合的手段，設(shè)計性能優(yōu)異的發(fā)泡原材料結(jié)構(gòu)，測定發(fā)泡體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，控制發(fā)泡過程熱力學和動力學變化，協(xié)調(diào)匹配聚合物力學狀態(tài)/性質(zhì)、反應(yīng)/原位復(fù)合與氣泡的成核和生長等過程，形成發(fā)泡材料結(jié)構(gòu) - 性能調(diào)控策略等。關(guān)鍵共性技術(shù)課題“連續(xù)發(fā)泡過程及其發(fā)泡材料成型的關(guān)鍵技術(shù)”和“間歇發(fā)泡過程及其發(fā)泡材料成型的關(guān)鍵技術(shù)”，將主要解決增強結(jié)構(gòu)填料在黏度動態(tài)變化的聚合體系中界面浸潤、高效均勻分散、發(fā)泡體受限生長以及超臨界流體釜壓、模壓和連續(xù)擠出發(fā)泡的工藝優(yōu)化和關(guān)鍵設(shè)備，以及隔熱材料/增強材料與聚合物發(fā)泡體的復(fù)合、發(fā)泡珠粒/片材的低能耗模塑成型等技術(shù)，形成高效間歇發(fā)泡和可控連續(xù)發(fā)泡的創(chuàng)新技術(shù)。產(chǎn)業(yè)化示范課題“高性能聚合物發(fā)泡材料制備的產(chǎn)業(yè)化示范及應(yīng)用”重點進行發(fā)泡過程工程放大規(guī)律研究，優(yōu)化工程實施方案，建立系列示范裝置，開展發(fā)泡材料及其制品性能測試和評估、應(yīng)用領(lǐng)域拓展等工作。

項目及課題牽頭單位分別為華東理工大學、浙江大學、北京化工大學和北京工商大學，在高熔體強度發(fā)泡原材料制備、超臨界CO2與聚合物相互作用、連續(xù)/間歇發(fā)泡過程關(guān)鍵工藝和設(shè)備、泡孔結(jié)構(gòu) - 性能調(diào)控等方面，多年來已開展了與國際同步的高水平研究；項目參與單位浙江浦森新材料科技有限公司、無錫會通輕質(zhì)材料股份有限公司、浙江新恒泰新材料有限公司、河北格瑞爾斯塑機制造有限公司、山東道恩高分子材料股份有限公司、中石化北京化工研究院、上海越科復(fù)合材料有限公司等均為聚合物發(fā)泡材料生產(chǎn)與應(yīng)用的龍頭和創(chuàng)新企業(yè)，擁有國內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)、產(chǎn)品以及市場份額。

通過本項目實施，將建設(shè)年產(chǎn)5000 m3的高強度聚氨酯絕熱材料生產(chǎn)裝置，釜壓發(fā)泡聚丙烯珠粒、模壓發(fā)泡聚丙烯和TPU微孔片板材、連續(xù)擠出發(fā)泡寬幅聚丙烯片板材等系列千噸級超臨界CO2發(fā)泡熱塑性聚合物工業(yè)生產(chǎn)裝置，相關(guān)發(fā)泡材料性能指標達到國際先進，應(yīng)用于液化氣儲運、汽車、包裝、新能源、家電、運動器材等領(lǐng)域，并拓展在航天航空、電子材料、高鐵等領(lǐng)域的應(yīng)用。本項目將促進塑料加工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，大幅提升我國聚合物發(fā)泡生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平和競爭力，推動我國聚合物發(fā)泡產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，保障其健康可持續(xù)發(fā)展。項目發(fā)展和創(chuàng)新的聚合物發(fā)泡理論方法和關(guān)鍵共性技術(shù)，以及形成和建設(shè)的發(fā)泡過程裝置/系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)化工程方案和產(chǎn)品市場開發(fā)模式都具有普遍意義，可以指導(dǎo)并應(yīng)用于眾多品種熱塑性聚合物及熱固性聚合物的高性能發(fā)泡材料制備。