国家重点研发计划 重点基础材料技术提升与产业化重点专项项目聚合物材料的轻量化技术(2016YFB0302200)

随着我国航天航空、国防、能源、交通、包装、电器、运动器械等行业的快速发展，对轻量化的高性能材料需求越来越迫切。具有优异机械性能和绝热、隔音、绝缘、缓冲等特性的高性能聚合物发泡材料及其制造技术受到广泛关注，可以为众多关系国计民生的行业提供优质的轻质基础原材料。

采用以二氧化碳(CO2)和氮气等为代表的超临界流体作为环境友好和安全易用的发泡剂进行聚合物轻量化材料制备，属于绿色制造新技术。工业和信息化部发布的《产业关键共性技术发展指南(2015年)》中明确提出“超临界二氧化碳发泡塑料制品产业化技术”是优先发展的产业关键共性技术。超临界流体发泡工艺具有饱和时间短、成核速率高、泡孔尺寸小、泡孔密度高且泡孔形态容易控制等特点，被广泛应用于制备微孔甚至纳孔材料，近20年发展迅速，已由理论和实验研究陆续转化为工业化生产技术。

本项目运用绿色高效发泡工艺，开展聚合物轻量化的应用基础 - 共性技术 - 产业化示范的“一条链式”研究，并主要针对油气储运专用高强度聚氨酯绝热材料制备和超临界流体发泡聚丙烯、聚酯、聚酰胺和聚氨酯弹性体(TPU)等热塑性聚合物，从发泡原材料体系、发泡工艺、发泡设备、发泡材料结构 - 性能调控及制件成型等各方面开展系统深入的研究工作，为高性能聚合物发泡材料制备的“优化、强化和工程化”提供理论和技术支撑，形成具有自主知识产权的系列聚合物发泡材料先进制造技术，并进行产业化示范。

项目围绕“聚合物及其复合材料体系的多层次多尺度结构设计、发泡过程与发泡体结构 - 性能关系”、“超临界流体、聚合物及其复合材料体系的混合及热/质传递过程强化”等重要科学问题，设置了应用基础研究课题“超临界流体发泡聚合物过程及发泡材料结构 - 性能调控”和“反应与发泡过程耦合制备聚合物发泡材料及其结构 - 性能调控”，采用多尺度分子模拟、实验研究、过程模拟相结合的手段，设计性能优异的发泡原材料结构，测定发泡体系基础数据，控制发泡过程热力学和动力学变化，协调匹配聚合物力学状态/性质、反应/原位复合与气泡的成核和生长等过程，形成发泡材料结构 - 性能调控策略等。关键共性技术课题“连续发泡过程及其发泡材料成型的关键技术”和“间歇发泡过程及其发泡材料成型的关键技术”，将主要解决增强结构填料在黏度动态变化的聚合体系中界面浸润、高效均匀分散、发泡体受限生长以及超临界流体釜压、模压和连续挤出发泡的工艺优化和关键设备，以及隔热材料/增强材料与聚合物发泡体的复合、发泡珠粒/片材的低能耗模塑成型等技术，形成高效间歇发泡和可控连续发泡的创新技术。产业化示范课题“高性能聚合物发泡材料制备的产业化示范及应用”重点进行发泡过程工程放大规律研究，优化工程实施方案，建立系列示范装置，开展发泡材料及其制品性能测试和评估、应用领域拓展等工作。

项目及课题牵头单位分别为华东理工大学、浙江大学、北京化工大学和北京工商大学，在高熔体强度发泡原材料制备、超临界CO2与聚合物相互作用、连续/间歇发泡过程关键工艺和设备、泡孔结构 - 性能调控等方面，多年来已开展了与国际同步的高水平研究；项目参与单位浙江浦森新材料科技有限公司、无锡会通轻质材料股份有限公司、浙江新恒泰新材料有限公司、河北格瑞尔斯塑机制造有限公司、山东道恩高分子材料股份有限公司、中石化北京化工研究院、上海越科复合材料有限公司等均为聚合物发泡材料生产与应用的龙头和创新企业，拥有国内领先的技术、产品以及市场份额。

通过本项目实施，将建设年产5 000 m3的高强度聚氨酯绝热材料生产装置，釜压发泡聚丙烯珠粒、模压发泡聚丙烯和TPU微孔片板材、连续挤出发泡宽幅聚丙烯片板材等系列千吨级超临界CO2发泡热塑性聚合物工业生产装置，相关发泡材料性能指标达到国际先进，应用于液化气储运、汽车、包装、新能源、家电、运动器材等领域，并拓展在航天航空、电子材料、高铁等领域的应用。本项目将促进塑料加工业的结构调整，大幅提升我国聚合物发泡生产企业技术水平和竞争力，推动我国聚合物发泡产业的转型升级，保障其健康可持续发展。项目发展和创新的聚合物发泡理论方法和关键共性技术，以及形成和建设的发泡过程装置/系统、产业化工程方案和产品市场开发模式都具有普遍意义，可以指导并应用于众多品种热塑性聚合物及热固性聚合物的高性能发泡材料制备。