发泡是实现轻量化和节能减排的重要手段，聚合物发泡材料广泛应用于汽车、建筑、包装、运动器材等领域，2021年全球发泡材料市场规模达939亿美元。设计新结构是驱动材料创新的源头，泡孔结构调控承载着推动发泡材料创新、功能化应用和高性能化等重要使命。因此，深入认识泡孔结构的变化类型和规律，对于开发高性能聚合物发泡材料具有重要学术和应用价值。中国科学院宁波材料技术与工程研究所高分子先进加工团队郑文革研究员和庞永艳研究员长期致力于聚合物发泡材料泡孔结构调控机制及功能化应用研究，在双峰泡孔、微纳泡孔、交替多层、高开孔等泡孔结构调控及应用方面取得了系统研究成果（Polymer 2021, 237， 124386; ACS Appl. Polym. Mater. 2021, 3, 2687-2693; Polymer 2020, 209, 123061; Ind. Eng. Chem. Res. 2020, 59, 11340-11349; Polymer 2019, 166, 63-71; J. Supercrit. Fluids 2016, 110, 65-74等）。
近期，郑文革研究员、庞永艳研究员与加拿大多伦多大学Chul B. Park教授合作发表了题为“A comprehensive review of cell structure variation and general rules for polymer microcellular foams”的综述论文（Chem. Eng. J. 2022, 430, 132662），系统总结了聚合物微发泡材料泡孔结构的变化类型和规律。
综述论文共分为五个部分，介绍了决定泡孔结构的三个最主要因素（泡孔尺寸、泡孔密度、膨胀倍率），阐述了根据三因素的增大或减小分类得到的六种泡孔结构变化类型随相关调节因素的变化关系，探讨了泡孔结构与性能（包括力学和隔热）的关系，提出了关于泡孔结构调控的一些规律性认识，指出了值得进一步深入研究的问题。
透过纷繁复杂的现象总结和凝练规律是科学研究的基本要求。总结泡孔结构的变化规律有助于精准设计和调控泡孔结构，并为高性能聚合物发泡材料的开发提供理论指导。泡孔尺寸、泡孔密度和膨胀倍率是决定泡孔结构的三个最主要因素。调控泡孔结构时，改变任何一个调节因素（变量），都可能引起泡孔尺寸、泡孔密度和膨胀倍率的增大或减小。因此，对三个因素的增大或减小进行排列组合，可得到8种泡孔结构变化类型（图1）。其中，泡孔尺寸和泡孔密度都增大时，膨胀倍率不可能减小；同理，泡孔尺寸和泡孔密度都减小时，膨胀倍率不可能增大。因此，第7和第8两种变化类型是不可能存在的，实际存在的只有第1至第6六种。
对于第1和第4，虽然三个因素均增大或均减小的情况是存在的，但是这两种变化类型对观察尺度要求比较高，导致实际观察到的实例相对较少。因此，最常见的变化类型是第2、第3、第5和第6四种。以纳米粒子含量和发泡温度适度作为调节因素为例，简要介绍这四种泡孔结构变化类型及结构转变，将有助于清晰理解泡孔调控的基本方法和一般规律。当纳米粒子含量适度增加时，体系气泡异相成核增强，因此，泡孔密度增大、泡孔尺寸减小、膨胀倍率增大，泡孔结构变化类型为第2种；当纳米粒子含量进一步增加时，虽然体系气泡异相成核增强，泡孔密度增大，但由于较大的纳米粒子含量增大了体系的硬度，限制了泡孔生长，导致泡孔尺寸减小、膨胀倍率减小，泡孔结构变化类型转变为第6种。当发泡温度提高时，泡孔生长的驱动力增大，因此，泡孔尺寸增大、泡孔密度减小、膨胀倍率增大，泡孔结构变化类型为第3种；当发泡温度进一步提高时，体系的熔体强度降低，泡孔出现明显聚并，导致泡孔尺寸增大、泡孔密度减小、膨胀倍率减小，泡孔结构变化类型转变为第5种。
本研究获得了浙江省公益技术应用研究计划项目（LGG19E030003）和宁波市科技创新2025重大专项（2018B10013）的资助。
聚合物微发泡材料泡孔结构的变化类型
（高分子与复合材料实验室 庞永艳）