Advanced Materials:利用冰模板法制备高性能多孔塑料

多孔塑料因其低密度、高孔隙度、隔音、隔热等优异性能而被广泛用于交通、航空航天、个人防护等领域。多孔塑料的孔结构(包括孔隙度、孔径大小及其分布、孔形状等)对其性能有着重要影响。然而,从结构复杂性和性能优化的角度,目前的多孔塑料还远远落后于骨骼和木材等天然多孔材料。这主要是由于多孔塑料的传统致孔方法在孔结构的多样性调控方面还存在局限。

针对这一挑战,柏浩课题组开发了一种乳液冰模板法,用于制备孔结构和成分在空间分布上更多样的多孔塑料。相比于传统的发泡方法,以冰为模板,具有环保、安全的优点。更重要的是,通过设计温度场和化学组成,可以赋予多孔塑料丰富的孔形貌(如仿木取向结构、多层结构等)和多性能。此外,该方法适用于不同的树脂单体,也可与功能纳米材料复合。所制备的新型多孔塑料在众多工程领域都具有广阔的应用前景。

这一方法主要包含单体乳液的定向冷冻、低温聚合以及室温解冻干燥等步骤。传统冰模板法往往只适用于可溶解和分散于水中的体系。这一研究将冰模板法的适用范围拓展到了疏水聚合物材料体系。此外,通过室温干燥替代冷冻干燥,可以更方便地制备大尺寸样品,并降低能耗,使该技术具有工业化应用前景。该团队在显微镜下原位观察了乳液液滴在定向冷冻条件下的组装、聚并和低温聚合过程。系统研究了乳化剂类型和用量、乳液液滴尺寸等对多孔塑料孔壁缺陷和性能的影响。

通过温度场设计,该团队制备了具有多种复杂孔结构和化学组成分布的多孔塑料,展示了该方法的优越性和可拓展性。例如,通过特殊的冷冻方式,成功制备了具有负泊松比性质的多孔塑料,并初步展示了这类材料在吸能方面的应用。

相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202001222)上。