生物可降解的绝热泡沫因其良好绝热性能与环境友好的特点受到了研究者的广泛关注，它不仅可以减少能源在保温领域的消耗，而且还可以缓解因泡沫制品滥用而引发的生态危机，因此在家电以及建筑等领域的保温有巨大的应用潜力。

聚乙烯醇（PVA）泡沫是一种兼具有良好机械性能与热稳定性的生物可降解材料，在包装与隔热等领域都具有巨大的应用潜力。目前，制备PVA泡沫的方法有机械搅拌发泡、化学发泡或溶胶-凝胶法等。但这些方法存在大量的有害试剂、制备周期长与泡孔调控困难等问题。

超临界二氧化碳（scCO2）发泡是一种成本低、无试剂残留、临界条件温和且泡孔调控简易的绿色发泡法，相较于传统制备PVA泡沫的发泡技术有明显的优势。

降低PVA泡沫的密度是提高其良好绝热性能的有效手段。PVA作为一种高结晶度的极性聚合物，其特性导致CO2在其中溶解度低，因此采用scCO2发泡工艺所制备的PVA泡沫通常具有较高的密度，其绝热性能也较差。为了克服这一难点，可向PVA中引入兼具增塑剂与共发泡剂作用的水来降低PVA的发泡温度与泡沫密度。

此外，在一定范围内，PVA泡沫的密度会随着水含量的增加而逐渐降低。然而，若为了进一步降低PVA泡沫的密度而持续提高PVA中的水含量，则会导致PVA粘度逐渐下降，从而导致发泡后泡孔的收缩与坍塌，进而增加泡沫密度。因此，基于scCO2发泡工艺制备低密度的PVA泡沫仍面临着技术挑战。

近期，MPGPL团队提出溶液发泡的方法，即PVA溶液在scCO2中发泡以及PVA溶液在辅助溶剂与scCO2的协同下制备低密度与低热导率泡沫的方法。该发泡方法能够大幅度降低PVA泡沫的密度，有效解决分子间含有大量氢键的聚合物在scCO2中发泡困难的难题。

本工作利用PVA溶液中高含量的水作为共发泡剂，并通过PVA与交联剂（柠檬酸）形成的交联网络来调控溶液的粘度制备得到了具有稳定泡孔结构的低密度PVA泡沫。

此外，在PVA溶液发泡前可向发泡釜中加入去离子水充当辅助溶剂。辅助溶剂的引入有利于进一步提高了体系中共发泡剂的含量，从而进一步降低了PVA泡沫的密度。

由图1可知，PVA溶液在scCO2中发泡后的泡沫在密度最低处具有稳定的泡孔结构且泡沫密度随着饱和时间的延长而呈现出先下降后上升的趋势，泡沫密度最低为0.070 g/cm3。

同样，由可知，辅助溶剂（水）协同scCO2制备的PVA泡沫的泡孔尺寸增大且具有稳定的泡孔结构（图2）。

泡沫密度随着饱和时间延长呈现出逐渐上升的趋势，PVA泡沫的最低密度为0.047 g/cm3。本工作所制备的PVA泡沫的密度远低于目前scCO2制备的PVA泡沫，且泡沫具有稳定的泡孔结构。

图1 PVA泡沫的（a）泡孔形貌和（b）密度

图2 辅助溶剂协同制备PVA泡沫的（a）泡孔形貌和（b）密度

通过辅助溶剂（水）协同制备的PVA泡沫还具有良好的机械性能，其压缩性能随着饱和时间的增加而增加（图3）。

在PVA泡沫密度最低时，泡沫仍具有较高的压缩强度（2.21 MPa）。此外，由于本研究方法可以显著减低泡沫密度，因此得到具有高绝热性能的生物可降解PVA泡沫，最低热导率为29.68 mW∙m-1∙K-1。

图3 辅助溶剂协同制备PVA泡沫的（a）机械性能与（b）绝热性能

相关研究工作已获中国发明专利授权1项，并分别以“A new strategy to fabricate polyvinyl alcohol (PVA) foam with low thermal conductivity using PVA-citric acid solution in supercritical carbon dioxide”为题，发表在《European Polymer Journal》期刊，以“Preparation of a high-expansion-ratio blend foam with low thermal conductivity using poly(vinyl alcohol)-polycaprolactone mixture solution via supercritical carbon dioxide foaming technology”为题，发表在《Ind. Eng. Chem. Res.》期刊。论文的第一作者为四川大学高分子科学与工程学院的硕士研究生林玫江，通讯作者为四川大学的廖霞研究员。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2024.112869

https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c01897