自上个世纪八十年代初，美国麻省理工学院的Nam.P.Suh教授等人最早提出了聚合物微孔发泡技术概念。随后，这一技术显著地提高了材料的力学性能，同时赋予聚合物优异的崭新的性能，成为了众多科研人员研究的新领域、新方向。而微孔发泡聚丙烯(Microcellular Polypropylene Foam)，简称MPP，也因其化学性质稳定、抗冲击强、回弹性好等特点，同时具有低介电、高韧性、保温隔热的优点，在汽车轻量化、新能源电池、5G通讯、航天航空和包装工业等领域应用前景广阔，一直为聚合物微孔发泡领域的研究热点。
近日，FOAM EXPO 团队有幸邀请到了浙江新恒泰新材料有限公司（以下”新恒泰“）的研发经理王镇，请他来解密MPP。
Q：王总，首先什么是微孔发泡聚丙烯呢？
A: 说到微发泡聚丙烯，首先要说到微发泡(Microcellular Foaming)的概念，它是指以热塑性材料为基体，制品中间层密布尺寸从十到几十微米的封闭微孔，微发泡最初主要是针对传统注塑技术提出的，之所以能受到推崇，是因为它在基本保证制品性能的基础上，明显减轻了制品的重量和成型的周期。具体来讲，微孔发泡有注塑微发泡、吹塑微发泡、挤出微发泡、模压微发泡等方式。而MPP呢，是特指泡孔尺寸小于100微米的聚丙烯多孔发泡材料，更严格地定义是泡孔尺寸小于10微米，泡孔密度大于10的9次方个/cm3。
Q：微孔发泡聚丙烯的主流制备工艺有哪些？难点在哪里？
A: 微孔发泡聚丙烯的制备主流制备工艺目前主要有三种，挤出发泡、注塑发泡以及釜压发泡。
超临界挤出发泡是指超临界流体发泡剂在注入到料筒中，在挤出机的加热和剪切共同作用下进行熔融共混，挤出机机筒内的温度和压力较高，不易形核和长大，当熔体到达口模处时，压力急剧下降（热力学不稳定性），泡孔开始迅速地长大和定型，经牵引、冷却后，微孔发泡聚合物冷却定型。
微孔注塑发泡技术的具体成型过程为：首先是将超临界流体注入注塑机料筒与聚合物一起在机筒内熔融混合均匀，形成聚合物/气体单相体系。泡孔成核就是发生在这个过程中，因此，机筒内须保持足够高的压力，防止形成的泡核开始长大膨胀。随后将单相熔体通过开关式射嘴快速注入模具，而模具中压力和温度相对较低，泡孔迅速长大，随熔体冷却而固化定型。注塑发泡成型周期短、效率高，且能制造复杂构型、尺寸要求精确的发泡制品，因此得到了企业界与学术界的广泛关注与研究。
釜压发泡法是指在PP 树脂熔融态附近，通入超临界流体，保压一定时间，PP熔体和超临界流体形成均一体系。之后，利用瞬间产生的压力降或温度变化得到发泡PP珠粒材料。该方法设备简单、气泡成核率高、泡孔易控制等特点。主要通过发泡温度、饱和压力、压力降速率等工艺参数的调控，从而对泡孔成核和泡孔增长进行控制，进而决定产品的最终泡孔结构。
但无论是哪一种工艺，需要面临一个共通的难点：PP是结晶聚合物，若低温固态发泡会受到结晶限制，很难制备高发泡倍率产品；而若采用高温发泡，聚合物的熔体强度又不够，无法保持完整泡孔，可操作窗口非常窄。
其次，利用超临界方法制备发泡材料需要较高的压力以及压力降，稳定的温度场和压力场，对设备以生产工艺提出了较高的要求。
因此，大规模制造具有稳定均匀泡孔形貌和外形尺寸的高发泡倍率微孔材料并不容易。
Q：咱们新恒泰主要使用哪种方式呢？是如何攻克以上难点的呢？
A: 咱们新恒泰主要采用超临界CO2模压发泡技术，属于自主研发的不同于上述三种主流制备的工艺的全新工艺，主要制备工艺分为以下几步：
1.将模压机上的发泡模具升温；
2.待达到发泡温度后，将PP聚合物放入模具，模压机合模，模具密封；
3.向模具内充入超临界CO2，使其向聚合物中溶胀扩散30〜180分钟，形成聚丙烯/超临界流体的单相溶液；
4.模压机开模泄压，诱导气泡成核、生长，最终形成泡孔尺寸在微米尺度的PP发泡材料。
其次，我们采用了分步/分段发泡工艺：具体来讲，是将泡孔的成核和生长进行了分步/分段处理，分阶段实施模压设备中CO2的压力控制，一方面减小了高压设备的体积，提高安全性；另一方面，CO2变压饱和提高了过程效率和发泡倍率。
第三点，我们优化了高压设备和聚合物预成型设备的结构设计，保证制备过程中均匀的压力场、温度场和速度场，稳定的流场结构成功实现了低密度聚丙烯微孔发泡材料的规模制造和柔性生产。
Q：王总，目前新恒泰的微发泡聚丙烯材料的应用案例集中在哪些领域呢？
A: 由于咱们采用的是物理发泡技术，生产的MPP环保健康，可以很好地满足了儿童玩具、医疗、家居用品等领域对绿色材料的需求；目前，咱们的主要应用案例集中在新能源汽车动力电池垫片、5G通信微波中继天线罩，冷链物流运输车夹层等新兴高端应用领域。
首先，正如大家感受到的，新能源汽车替代燃油车的趋势已进一步提速，有权威机构预估，2022年新能源汽车预计销量可达500万辆，占比达到20%。在初期，新能源汽车C端的主要痛点是续航里程，核心技术在于提升电池容量，但随着电池事故倒逼技术的发展，目前C端对于电池安全性的呼声不断提升，未来内部材料件的需求将会显著提升，这其中就包括起到隔热、阻燃、缓冲作用的电池垫片。新恒泰的MPP材料具有质量轻，能量吸收能力好，耐温性好（-50℃～ 110℃范围内正常使用），保温性能优（导热系数≤0.04 W/m·K）等特点，可有效防止电池遭受外部挤压、碰撞时产生热失控以及电池温度的过热或过冷，为新能源汽车乘员的安全性保驾护航。
另外，5G时代，基站引入大规模阵列天线，天线通道数增加，对射频器件的需求量也相应增加，且天线无源部分与RRU合为AAU，对5G天线的体积小型化和轻量化提出了更高的要求。而天线装置通常置于露天工作，直接受自然界风雪沙尘及太阳辐射的侵袭，而5G毫米波高频高速传输，伴随穿透力差、衰减大的特性对天线罩材料提出了更高的要求。因此，5G天线罩对于材料的介电性能、轻量化、耐候性提出了更高的要求。新恒泰的MPP材料轻质高强，低介电损耗（介电常数＜1.02，介电损耗＜0.002），表面带皮，不吸水，表面不挂水，防污性能好，不影响透波性能，且耐候抗光氧化，使用寿命可达8年，使用环保无毒，目前已批量投入5G基站建设。
当然，因MPP优异的保温性能，且具有一定的刚度和韧性，与传统的PS及PU保温材料相比，其在适用于冷链保温等领域时，无需预埋钢筋等结构件，因此可以大大减少整个车身的质量，从而减少相应的能耗。
事实上，咱们新恒泰的超临界CO2模压发泡技术通用性很高，除聚丙烯外，目前已成功用于聚氨酯弹性体微孔发泡材料(MTPU)的量产，可以在功能性鞋材、运动防护领域替代传统EVA，PVC等材料。
展位号：C9
非常感谢王总的分享！今年12月7-9日，新恒泰将亮相国际发泡技术（深圳）展览会FOAM EXPO China；届时，新恒泰不仅会有最新材料在现场展示，而且王总还将参与同期会议—FOAM EXPO China Conference，为大家带来新恒泰最新的应用案例分享。
