热塑性弹性体(TPE)作为一种结合了橡胶弹性与塑料加工性的新型材料，近年来在发泡领域的研究与应用持续突破。随着超临界流体发泡、模内一体化成型等新技术的出现，以及梯度结构、多功能化等新型泡沫的开发，TPE发泡材料的性能与应用边界不断拓展。本文结合最新研究成果，从发泡剂、粘度调控、交联作用、工艺创新及应用拓展五个核心维度进行更新，全面阐述热塑性弹性体发泡技术及其应用。
发泡剂是TPE发泡的核心组分，其分解特性、环保性及与基体的相容性直接决定泡孔结构。近年来，物理发泡剂的高效化与化学发泡剂的精准分散成为研究热点，同时多组分协同调控策略显著提升发泡效果。
热膨胀微胶囊（TEMs）：作为封装型物理发泡剂，TEMs由丙烯腈共聚物壳层与低沸点烃类芯材构成，加热时壳层软化（玻璃化温度附近）、芯材汽化膨胀，形成封闭泡孔（无泡孔合并风险）。其优势在于：①泡孔尺寸均匀（35-45μm），适用于精密电子部件；②与TPE基体相容性好，可通过调整壳层厚度（2-15μm）调控膨胀温度（120-185℃）。例如，在乙烯-辛烯共聚物（EOC）泡沫中添加TEMs，泡孔孔隙率（φcell=细胞总体积/泡沫材料总体积）可达83.9%，且储能模量（G'）与泡孔密度呈幂律关系[1]。
超临界CO₂（scCO₂）：作为环保型物理发泡剂[2, 3]，scCO₂具有溶解快、无残留的特点，广泛用于TPU、TPEE等基体的釜压发泡。例如，制备TPU/TPEE泡沫时[3]，采用100℃、12MPa的scCO₂饱和3h，泡孔直径可从21.5μm降至3.86μm，泡孔密度提升3倍；通过调整TPEE含量（7wt%），可进一步降低泡沫收缩率至5%以下。此外，scCO₂可结合“一次升温发泡+二次卸压发泡”工艺[2]，例如TPU泡沫经一次升温发泡后，用超临界N₂二次发泡，体积回复率提升至85%，有效解决高倍率发泡后的收缩问题。
传统AC（偶氮二甲酰胺）发泡剂存在分散不均、扬尘污染问题，近年来通过SEBS基发泡母粒实现精准调控。以可低温加工SEBS（软化点<100℃）为基体，复配AC发泡剂（20wt%）、硬脂酸锌（助发泡剂）及白油（增塑剂），经双螺杆挤出制备母粒。该母粒与EPDM/PPTPE共混时，仅需添加3wt%即可实现均匀发泡：泡孔直径0.2-0.35μm，密度降至0.68g/cm³，且SEBS用量<6%时，拉伸强度仅下降2.3%（远优于直接添加AC的24.4%降幅）[4]。
钙硬脂酸改性蒙脱土（MMT-St）等无机粒子可与发泡剂协同提升成核效率。MMT-St通过硬脂酸修饰改善与TPU/PLA基体的相容性，其片层结构提供大量成核位点，使泡孔直径从10μm降至4μm，泡孔密度从4.1×10¹²cell/cm³提升至15.8×10¹²cell/cm³，同时提高结晶度（抑制链段松弛），泡沫收缩率从27.5%降至5%[5]。
粘度不仅影响气体保留能力，还与泡孔生长速率、最终结构密切相关。当粘度太低时，气体扩散太快，容易溢出，不容易产生气泡。反之，如果粘度太高，会限制气体的膨胀，导致内压增大，孔径变小。因此，根据发泡需求，可以通过调整TPE胶料的粘度来控制泡孔的尺寸和结构。最新研究表明，共混改性与泡孔结构反馈调控是粘度优化的关键方向，且非线性粘弹性参数对结构变化更敏感。
通过刚性组分共混可精准调控TPE熔体粘度。例如，TPU中添加7wt%TPEE[3]，利用TPEE硬段（PBT）的结晶性形成物理交联点，使共混物复数粘度（η*）在低频区提升30%，且tanδ<1（弹性主导），有效抑制泡孔破裂；循环压缩测试显示，该泡沫50次循环后最大应力保留率超96%，远优于纯TPU的88%。此外，SEBS与PP共混[4]可降低体系粘度对温度的敏感性，拓宽发泡工艺窗口（180-190℃）。
通过动态振荡剪切测试发现，TPE泡沫的线性粘弹性（G'、G''）与泡孔结构因子（泡孔孔隙率φcell、泡孔尺寸Rcell、泡孔密度Ncell）呈幂律关系：G'∝φcell0.5、G'∝Ncell0.5，而言非线性参数Q₀（反映剪切非线性程度）的幂律指数是G'的3倍（Q₀∝φcell1.5），表明Q₀对泡孔结构变化更敏感，可作为泡孔均匀性的表征指标。此外，正常应力差（N₁₂）的符号变化（从正到负）可作为宏观结构转变的信号，当γ₀>0.1时，N₁₂由正变负，对应泡孔从局部变形过渡到整体结构屈服[1]。
交联剂的作用已从单纯提升力学性能（抗撕裂性、韧性等），拓展至调控结晶行为与协同改善抗收缩性，物理交联（结晶硬段）与化学交联的结合成为主流方向。
过氧化二异丙苯（DCP）作为经典交联剂，在动态硫化TPE（如EPDM/PPTPV）中与三烯丙基氰尿酸酯（TAC）协同作用[4, 6]：DCP引发EPDM双键交联，TAC作为助交联剂减少交联副反应，使交联度提升20%，泡沫抗撕裂强度提高15%。此外，在TPU/TPEE体系中[3]，DCP用量0.8phr时，可同时交联TPU软段（聚醚）与TPEE硬段，避免泡孔塌陷。
TPEE、PEBA等含有结晶硬段的体系，可通过硬段结晶形成物理交联点[3, 7]。例如，PEBA的PA12硬段在发泡后快速结晶[7]，结晶度达35%，形成“物理交联网络”，有效抑制泡孔收缩：EPEBA泡沫膨胀倍率达25.8倍（目前报道最高值），且放置48h后收缩率<3%（远优于ETPU的14.9%）。此外，物理交联具有可逆性，使泡沫可回收再加工[6]，符合绿色制造趋势。
交联剂与无机粒子可协同提升泡沫稳定性。例如，TPU中添加DCP（0.5phr）与钙硬脂酸改性蒙脱土（MMT-St）（2phr）[5]，DCP引发TPU交联形成化学网络，MMT-St片层限制链段运动，两者协同使泡沫热变形温度提升15℃，压缩永久变形降低2.84%。
发泡工艺已从传统的“分步加工”向“一体化、低能耗”方向发展，超临界流体发泡、模内发泡、水蒸气成型等新技术显著提升效率与产品性能。
釜压发泡：以scCO₂为发泡剂，通过“饱和-升温-卸压”制备高倍率泡沫[2, 3]。例如，TPU在100℃、12MPa下饱和3h，卸压速率80MPa/min，可制备膨胀倍率18倍的微孔泡沫；若结合“一次升温（120℃）+二次卸压（N₂，5MPa）” [2]，可进一步将膨胀倍率提升至22倍，且泡孔呈梯度分布（两侧孔径大、中间小），缓冲性能提升30%。
连续挤出发泡：采用双螺杆挤出机，将SEBS发泡母粒与TPE共混，在180-190℃、螺杆转速300rpm下挤出，制备连续长度的发泡型材（直径8mm），生产效率达50kg/h，且泡孔密度波动<5%，适用于大规模生产[4]。
“模内发泡-受限压缩”一体化工艺，无需单独制备发泡珠粒，直接将TPE颗粒与发泡剂（如TEMs）加入模具，经“升温发泡（146℃）-加压成型（10MPa）-快速冷却”三步实现成型。例如，85ATPU采用该工艺时，泡沫密度0.2g/cm³，回弹率58%，100次循环压缩后能量损失系数<12%（远低于传统水蒸气成型的25%）。该工艺优势在于：①省去珠粒制备步骤，生产周期缩短40%；②通过模具设计可制备复杂结构（如跑鞋中底的镂空纹路），且泡孔界面粘结强度提升21%[7]。
针对TPE珠粒的水蒸气成型，最新研究明确了硬段相扩散是粘结核心：①ETPU珠粒成型时，水蒸气快速加热（100℃/min）使表层低有序硬段相熔融，软段分子链扩散距离达50nm，冷却后形成新的硬段结晶（Tₘ=132.6℃），粘结强度提升至0.79MPa；②EPEBA珠粒因硬段（PA12）结晶度高（Tₘ-high2=146.8℃），需更高成型温度（135℃），且粘结强度仅0.6MPa（低于ETPU的0.79MPa），需添加EVA（5wt%）改善界面扩散。此外，通过调整水蒸气压力（2.3bar）与时间（120s），可使ETPU珠粒泡沫表面缝隙消除率达95%，且回弹率保持60%[7]。
通过“温度梯度调控”制备TPU梯度泡沫：控制发泡时间<3min，利用基体内部温差（表层130℃、芯层110℃），形成两侧孔径8-10μm、中间2-3μm的梯度结构，该泡沫能量损失系数比均匀泡沫低15%，且高倍率（φcell=73.3%）下硬度降低20%，适用于缓冲材料[2]。
“无机粒子诱导开孔”工艺：在TPEE中添加10wt%羟基磷灰石（HAP），HAP颗粒在泡孔壁聚集，使泡孔壁厚度从5μm降至1μm，经150℃热处理后泡孔壁破裂形成开孔结构（开孔率>85%），该泡沫透气率达300mm/s，适用于过滤、吸音领域[8]。
随着性能提升，TPE发泡材料从传统家居、汽车领域，向高端运动装备、电子缓冲、生物医用等领域拓展，且功能化趋势明显。
密封条与减震件：SEBS/PP发泡密封条[9]，添加15wt%滑石粉（成核剂），泡孔密度1.2×1010cell/cm3，隔音量提升至25dB（比EPDM橡胶高8dB），且密度降至0.75g/cm³，助力汽车减重5%。
电池包缓冲：PEBA褶皱结构泡沫[10]，通过“scCO₂发泡+模具刻蚀”形成表面褶皱（波长5μm），压缩强度达1.49MPa，且耐电解液腐蚀（浸泡30天重量变化<2%），适用于新能源汽车电池包缓冲。
跑鞋中底： EPEBA珠粒泡沫（密度0.14g/cm³，回弹率73.8%）[7]，1000次冲击测试后回弹率保持率>90%，优于传统EVA泡沫（75%）；结合3D打印模具，可制备分区梯度结构中底（前掌软、后掌硬），贴合足部受力需求。
护具： TPU梯度泡沫（φcell=73.3%）[2]，能量吸收效率达65%，比均匀泡沫高20%，且硬度35ShoreC（贴合人体皮肤），适用于膝盖、肘部护具。
电子缓冲： EOC/TEMs泡沫（泡孔直径53μm）[1]，体积电阻率10¹²Ω・cm，且压缩永久变形<3%，适用于芯片封装缓冲；添加1wt%碳纳米管后，可制备导电泡沫（电阻率10⁻³Ω・cm），用于电磁屏蔽。
医用支架：开发PEBA/HA开孔泡沫（开孔率90%）[11]，HA颗粒（5wt%）促进泡孔粘附（成骨泡孔存活率95%），且降解速率可控（3个月降解20%），适用于骨组织工程支架。
近年来，TPE弹性体发泡技术通过工艺创新（混合发泡剂加料顺序、低温母粒）、改性策略（纳米填料、共混扩链）、结构设计（梯度、褶皱、开孔）取得显著突破：收缩率从60%降至10%以下，压缩强度提升52%，功能拓展至导热、降解、过滤等领域。未来研究需聚焦三方面：1）优化TPE微相分离结构与发泡行为的关联性[12]；2）开发规模化珠粒发泡与梯度发泡设备[7]；3）拓展生物基TPE泡沫的降解速率调控技术[13]，推动TPE发泡制品向“高性能-低能耗-全生命周期环保”方向发展。
第九届Poly Foam Conference（PFC2025）：
为加速技术创新与产业落地，全球发泡技术领域的年度盛会——第九届Poly Foam Conference（PFC2025） 将于2025年11月17-19日在苏州盛大召开。
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2025年11月17-19日
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引用
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