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2024-05-22 / 行业新闻
MPGPL丨非平衡气体浓度分布构筑梯度泡孔结构硅橡胶复合泡沫及力学性能研究
功能梯度材料（Functionally Gradient Materials，简称FGM）是指材料的组成或/和结构沿某一方位连续变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型的非均质功能复合材料。
梯度多孔材料是功能梯度材料的重要组成部分，材料中泡孔尺寸或者密度呈现梯度变化规律，并且该变化贯穿于整个多孔材料中。梯度结构在自然界中大量存在，竹子、骨骼和木材等都具有典型的梯度多孔结构，其中孔隙结构致密的部分使材料具有足够的强度，而孔隙结构疏松的部分则能够有效降低材料密度。
已有报道显示，与成分和结构均匀的聚合物泡沫相比，梯度多孔聚合物结合了不同尺寸孔的特性，具有更好的力学、能量吸收等性能，在组织工程、抗冲击材料、电磁干扰屏蔽、绝热及隔音材料等方面具有很大的应用潜力。
当前针对梯度多孔聚合物的研究多采用：
（4）温度差异诱导法
此外，利用超临界CO2（scCO2）发泡技术，通过调控饱和过程参数从而在聚合物基体内部构筑非平衡气体浓度分布，已被证实可以制备梯度热塑性聚合物泡沫，其制品内部不存在界面问题，在长期使用过程中不会出现分层现象。
然而，由于CO2和硅橡胶的亲和能力强，CO2在硅橡胶基体中的传质系数和平衡浓度高，能够快速溶解、扩散至平衡，因此这种方法是否适用于制备梯度多孔硅橡胶泡沫，以及如何影响着泡孔结构，还未有报道。
近期，MPGPL团队利用低温、短时的饱和方法，在硅橡胶基体中构筑非平衡气体浓度分布，首次通过scCO2一步发泡法制备了一体化、无界面的梯度泡孔结构硅橡胶复合泡沫材料。
由于CO2气体分子在低饱和温度下的低扩散速率和高溶解度，使得CO2能够在较短的饱和时间下于硅橡胶基体内部构筑具有显著CO2浓度梯度分布（边缘高，芯部低），因此所制备的硅橡胶泡沫沿轴向方向的泡孔尺寸及泡孔密度也呈现出显著的梯度变化。
图1 梯度泡孔结构硅橡胶泡沫在不同轴向位置的SEM照片及形成机理
通过改变饱和过程参数，实现了对硅橡胶泡沫泡孔梯度程度的有效调控。对比了密度相近的具有不同泡孔尺寸（D）的均匀泡沫（UPP）和具有不同泡孔梯度程度（GD）的梯度泡沫（GPP）的循环压缩结果发现，梯度多孔硅橡胶结合了大、小泡孔的优势，在保证较高的压缩应力和模量的同时也具备优异的循环压缩变形后的形状恢复能力。
高泡孔梯度程度的硅橡胶泡沫的压缩应力和模量是大泡孔均匀泡沫的1.5倍以上，而且具备明显优于小泡孔均匀泡沫的低应变损失（3.92%），以及最低的应力损失（0.22 kPa）。本研究，有助于克服当前硅橡胶泡沫强度低、弹性弱等缺点，并从泡孔结构设计层面实现了对硅橡胶泡沫材料在长期动态应力作用下的性能优化。
该研究工作以“Constructing structure-gradient silicone rubber/CNTs foam with desirable resilience and strength via green supercritical CO2 foaming of non-equilibrium gas concentration profiles”为题，发表在《Sustainable Materials and Technologies》期刊。论文的第一作者为四川大学与多伦多大学联合培养博士研究生唐婉玉，通讯作者为多伦多大学Patrick C. Lee副教授和四川大学廖霞研究员。
原文链接：
*本栏目由发泡者联盟与微孔聚合物绿色加工实验室（MPGPL）共同发起
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