破解塑料发泡行业“卡脖子”技术难题——访北京化工大学教授、博导 何亚东

　　塑料发泡可以使材料轻量化，并赋予材料各种强大的功能，如保温隔热、缓冲吸能、吸音降噪、吸附过滤，绝缘低介电等。不仅如此，塑料发泡还可以进一步在减碳、环保、新能源、回收利用及可持续发展等领域发挥更加重要的作用。

　　正因如此，塑料发泡技术受到了越来越广泛的重视，甚至在很多应用中起到无可替代的作用。尤其是近几年，国内塑料发泡领域已经出现了一些能够产生较高经济效益，对相关产业形成支撑作用，解决行业“卡脖子”关键技术的主要成果转化项目。

　　塑料发泡技术都有哪些典型应用？哪些塑料类别和发泡技术更匹配？目前发泡技术的主要路线有哪些？塑料发泡行业的未来趋势有哪些？本期会客室栏目，我们有幸邀请到北京化工大学教授、博导何亚东，一起来听听他怎么说。

　　发泡塑料的花样应用

　　提及发泡塑料，可能很多人首先想到的是聚氨酯(PUR)发泡材料，除此之外，常见的发泡材料还有：发泡聚苯乙烯(EPS)、聚氯乙烯(PVC)、发泡聚乙烯(EPE)、发泡聚丙烯(EPP)、发泡PET等。无论是建筑保温、缓冲包装、家具应用，还是复合材料中结构芯材、物流周转箱、坐椅垫、汽车领域，发泡塑料均有广泛应用。

　　“近年来，PET发泡方面的研究不断加速。”何亚东教授分享道，“它是一种刚性泡沫材料，采用挤出物理发泡工艺制备，一般主要用于复合材料结构芯材，例如风电叶片、轻卡车厢板等，可以实现结构的轻量化并显著提高结构刚度。由于其可以采用饮料瓶回收料来制备，而且本身也可完全回收利用，无毒无污染，因此受到广泛关注。”

　　塑料发泡，不止是轻量化和高性能

　　在实际应用中，塑料发泡技术的意义绝不仅仅表现在轻量化和高性能方面。

　　比如，大量用于发泡的材料可以来源于回收料。尽管发泡过程对材料加工性能的要求较高，但随着回收料分类筛选的精细化，越来越多的回收料品种和数量将能够适用于发泡工艺要求，例如PS、PVC、PE、PET、PA等对于固体废弃物回用和减量化都具有重要意义。

　　众所周知，造成当前环境问题的主要塑料来源于一次性包装材料，如薄膜、包装袋、饮料瓶、缓冲包装等，因此生物降解塑料成为当今热点。PLA、PBAT等生物降解材料均可以通过发泡实现轻量化并在一次性包装领域得到应用，对于减少非生物降解包装材料的应用具有重要帮助。

　　更不用提塑料发泡材料在节能领域的广泛应用了。PU发泡、EPS发泡、XPS发泡是目前最主要的三类建筑保温材料，在降低建筑能耗和碳排放方面发挥重要的作用。在汽车轻量化领域，PP发泡、PET发泡等用量也越来越大，进一步降低了油耗并提升了汽车舒适性。而在新能源风力发电领域，占叶片成本25%以上的结构芯材主要使用PVC交联发泡和PET发泡，由于PET发泡的可回收性，将成为叶片结构芯材的主流，在新能源方面发挥重要作用。

　　解决发泡行业卡脖子关键技术的三项创新

　　塑料发泡技术的研发在国内总体上仍然是两个路子：高校和科研院所更多是以发表论文，申请专利为导向，利用实验装置开展一些应用基础研究和探索，大部分的研究难以支撑企业的具体开发需求。而国内大多数的塑料发泡企业都是批量生产型为主，利润微薄，完全靠规模才能实现一定盈利，在前沿技术探索和储备方面缺乏能力和规划，尤其是现在还面临着能评，安评和环评及人员等各方面压力。

　　但也有一些有志之士看到了校企合作的巨大可能，据何亚东教授介绍，目前国内塑料发泡领域已经产生了一些解决行业卡脖子关键技术的主要成果转化项目。

　　北京化工大学与南京创博机械设备有限公司共同合作开发的“PET免干燥反应扩链超临界流体发泡一体化技术”就是其中的佼佼者。该技术改变了我国风电叶片PET结构芯材为发达国家垄断的局面，推动风电新能源产业的快速发展和成本下降，截至2021年底，共为风电企业新增产值近100亿元，替代进口节省成本超过2亿元。双方于2020年向社会开放位于南京创博的挤出发泡中试基地，推动关键技术实现全社会共享，已签约10余所知名高校、研究院所和十几个石化企业。

　　华东理工大学开发的无水釜压发泡珠粒技术，创新性低采用无水釜压发泡工艺，显著降低了生产工艺中的污水量和废水处理工序，随着进一步的推广应用，将促进釜压发泡领域全面技术升级。

　　北京化工大学与河北格瑞尔斯塑机制造有限公司共同开发的“PS/CO2复合挤出发泡板材技术”，开发了五个系列的XPS挤出发泡生产线，实现HCFC发泡剂替代，减少破坏臭氧层破坏物质使用；开发大型135/400型机组，产能1.5吨/h，板厚超过150mm；技术推动下游形成超过20万吨/年的环保建筑保温板生产规模，减少CO2排放超过200万吨/年。

　　发泡材料的五大发展趋势发泡材料的应用状况是材料性能、价格以及市场需求之间长期博弈而形成的，是基于市场机制的选择和进化，当然技术在其中会起到很好的促进作用。那么，什么样的发泡材料会更具发展前景呢？

　　何亚东教授在多年的研究中不断加深对发泡技术的认识，他认为，具有以下特点的聚合物发泡材料可能会更符合未来的发展趋势：

　　◆尽可能采用可完全回收利用，或可以采用回收原料来制备，降低环境中塑料的消耗量和保有量；

　　◆环保安全发泡剂体系的应用及开发，尽量降低有毒有害（对臭氧层破坏）、易燃易爆（烷烃类）以及不适宜接触人体类（一些化学类）发泡剂的使用；

　　◆产品性能的进一步细化和提升，泡孔尺寸减小（纳孔发泡），产品密度降低等；刚性发泡进一步提高力学性能，作为结构件实现轻量化；弹性泡沫要求更高的回弹性和更低压缩永久变形等，用于更高性能的鞋材以及缓冲包装材料等；

　　◆生产效率的进一步提升，连续工艺替代间歇工艺，保持性能的同时实现降低成本和能耗。

　　他重点提到了生物降解材料的发泡。生物降解材料发泡技术主要应用于一次性包装领域，以解决大量包装使用后随意丢弃造成的环境污染问题。

　　备受关注的微孔发泡技术

　　物理发泡和化学发泡是两种不同的发泡技术路线，分别对应于不同的产品和性能要求。何亚东教授认为：随着技术的进一步发展，物理发泡的领域将逐渐扩大。

　　何亚东教授告诉我们：微孔发泡概念的提出是比较理想化的，原始出发点是想充分利用大分子间的自由体积实现减少材料使用的目的。但迄今为止的研究表明，该技术至少存在两方面的限制，一方面是泡孔尺寸与减重之间的矛盾，大量纳孔发泡方面的研究显示，在实验室已经可以通过各种手段制备亚微米尺寸的发泡材料，但无论是均相或非均相体系，都随着泡孔尺寸减小，体系的减重比例（发泡倍率）越小（最大约5倍），与现在发泡工艺动辄几十倍的发泡倍率相比，在减少材料使用（成本）方面的效果非常有限；另一方面是发泡倍率与机械性能之间的矛盾，尽管材料发泡后在改善塑料冲击性能、热导率等方面大有裨益，但随着发泡倍率（减重比）的提升，总体机械性能总是呈现大幅度的降低，尤其是最常用到的拉伸、压缩、弯曲等性能。

　　因此，如何更大程度降低材料用量和成本，以及更高水平保持机械性能这个终极目标仍然是所有发泡领域研究人员的终极梦想。

　　微孔发泡技术从概念的提出到真正实现产业化应用大概花了20年时间。产业化应用的主要技术就是以Mucell为代表的微孔发泡注塑成型，该项技术以授权和提供关键注气系统的方式与各大注塑机企业进行合作，如Engel、Krausmaffei、JSW、Arburg等。由于该技术专利授权费用高昂，只有一些有实力的企业才有能力购买成套技术进行生产，这大大限制了该技术的广泛应用。

　　微孔发泡注塑成型所带来的制品减重比最多在20%左右，对于大多数国内客户生产附加值不高的产品来说，采用这种工艺基本上无法提供优势和竞争力。

　　发泡技术将迎来快速发展

　　国家和社会大力推动的双碳战略，催生了各行业对保温节能、轻量化、高功能化发泡材料的海量需求，塑料发泡材料在其中将发挥非常重要的作用。而随着社会消费水平的提高，人们对于新产品、绿色产品、新工艺和新技术就更加渴望，更愿意为健康、环保、安全和可持续付费，这也成为发泡技术不断发展的驱动力。

　　中国的塑料发泡技术经过近20年的发展，在很多领域已经基本上与发达国家达到并跑状态，例如釜压发泡、挤出发泡等，甚至在一些领域已经处于领跑地位，如超临界流体模压发泡等。在注塑发泡领域，由于美国Trexel公司的专利限制，导致国内在该领域发展相对滞后一些，但随着相关专利保护面临到期，以及国内企业加大研发投入，相信在不久的将来，我国将在该领域迎来新一波快速发展。