國家重點研發計劃 重點基礎材料技術提升與產業化重點專項項目聚合物材料的輕量化技術(2016YFB0302200)

隨著我國航天航空、國防、能源、交通、包裝、電器、運動器械等行業的快速發展，對輕量化的高性能材料需求越來越迫切。具有優異機械性能和絕熱、隔音、絕緣、緩沖等特性的高性能聚合物發泡材料及其制造技術受到廣泛關注，可以為眾多關系國計民生的行業提供優質的輕質基礎原材料。

采用以二氧化碳(CO2)和氮氣等為代表的超臨界流體作為環境友好和安全易用的發泡劑進行聚合物輕量化材料制備，屬于綠色制造新技術。工業和信息化部發布的《產業關鍵共性技術發展指南(2015年)》中明確提出“超臨界二氧化碳發泡塑料制品產業化技術”是優先發展的產業關鍵共性技術。超臨界流體發泡工藝具有飽和時間短、成核速率高、泡孔尺寸小、泡孔密度高且泡孔形態容易控制等特點，被廣泛應用于制備微孔甚至納孔材料，近20年發展迅速，已由理論和實驗研究陸續轉化為工業化生產技術。

本項目運用綠色高效發泡工藝，開展聚合物輕量化的應用基礎 - 共性技術 - 產業化示范的“一條鏈式”研究，并主要針對油氣儲運專用高強度聚氨酯絕熱材料制備和超臨界流體發泡聚丙烯、聚酯、聚酰胺和聚氨酯彈性體(TPU)等熱塑性聚合物，從發泡原材料體系、發泡工藝、發泡設備、發泡材料結構 - 性能調控及制件成型等各方面開展系統深入的研究工作，為高性能聚合物發泡材料制備的“優化、強化和工程化”提供理論和技術支撐，形成具有自主知識產權的系列聚合物發泡材料先進制造技術，并進行產業化示范。

項目圍繞“聚合物及其復合材料體系的多層次多尺度結構設計、發泡過程與發泡體結構 - 性能關系”、“超臨界流體、聚合物及其復合材料體系的混合及熱/質傳遞過程強化”等重要科學問題，設置了應用基礎研究課題“超臨界流體發泡聚合物過程及發泡材料結構 - 性能調控”和“反應與發泡過程耦合制備聚合物發泡材料及其結構 - 性能調控”，采用多尺度分子模擬、實驗研究、過程模擬相結合的手段，設計性能優異的發泡原材料結構，測定發泡體系基礎數據，控制發泡過程熱力學和動力學變化，協調匹配聚合物力學狀態/性質、反應/原位復合與氣泡的成核和生長等過程，形成發泡材料結構 - 性能調控策略等。關鍵共性技術課題“連續發泡過程及其發泡材料成型的關鍵技術”和“間歇發泡過程及其發泡材料成型的關鍵技術”，將主要解決增強結構填料在黏度動態變化的聚合體系中界面浸潤、高效均勻分散、發泡體受限生長以及超臨界流體釜壓、模壓和連續擠出發泡的工藝優化和關鍵設備，以及隔熱材料/增強材料與聚合物發泡體的復合、發泡珠粒/片材的低能耗模塑成型等技術，形成高效間歇發泡和可控連續發泡的創新技術。產業化示范課題“高性能聚合物發泡材料制備的產業化示范及應用”重點進行發泡過程工程放大規律研究，優化工程實施方案，建立系列示范裝置，開展發泡材料及其制品性能測試和評估、應用領域拓展等工作。

項目及課題牽頭單位分別為華東理工大學、浙江大學、北京化工大學和北京工商大學，在高熔體強度發泡原材料制備、超臨界CO2與聚合物相互作用、連續/間歇發泡過程關鍵工藝和設備、泡孔結構 - 性能調控等方面，多年來已開展了與國際同步的高水平研究；項目參與單位浙江浦森新材料科技有限公司、無錫會通輕質材料股份有限公司、浙江新恒泰新材料有限公司、河北格瑞爾斯塑機制造有限公司、山東道恩高分子材料股份有限公司、中石化北京化工研究院、上海越科復合材料有限公司等均為聚合物發泡材料生產與應用的龍頭和創新企業，擁有國內領先的技術、產品以及市場份額。

通過本項目實施，將建設年產5 000 m3的高強度聚氨酯絕熱材料生產裝置，釜壓發泡聚丙烯珠粒、模壓發泡聚丙烯和TPU微孔片板材、連續擠出發泡寬幅聚丙烯片板材等系列千噸級超臨界CO2發泡熱塑性聚合物工業生產裝置，相關發泡材料性能指標達到國際先進，應用于液化氣儲運、汽車、包裝、新能源、家電、運動器材等領域，并拓展在航天航空、電子材料、高鐵等領域的應用。本項目將促進塑料加工業的結構調整，大幅提升我國聚合物發泡生產企業技術水平和競爭力，推動我國聚合物發泡產業的轉型升級，保障其健康可持續發展。項目發展和創新的聚合物發泡理論方法和關鍵共性技術，以及形成和建設的發泡過程裝置/系統、產業化工程方案和產品市場開發模式都具有普遍意義，可以指導并應用于眾多品種熱塑性聚合物及熱固性聚合物的高性能發泡材料制備。