Page 18 - 《精细化工》2022年第8期

·1518· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

备出性能优良的淀粉基发泡材料。 （见图 3）。其中，温度、压力和时间是影响淀粉基材
料发泡成型的重要因素。在发泡过程中，调节温度的
2 制备工艺对性能的影响
实质是控制材料体系内的发泡剂分解，随着温度的升
国内外关于发泡材料的制备方法主要有模压发 高，气体浓度变化引起气泡内压强变化，进而影响
泡、烘培发泡、挤出发泡、超临界流体挤出发泡和微 气泡的生长速率，决定发泡材料的泡孔形貌和密度；
波发泡等，其制备工艺和特点详见表 3。不同制备方 而材料内部的饱和压力与环境压力的变化也会造成
法及工艺参数影响淀粉基发泡材料的内部泡孔形貌 活化能垒的变化，从而影响气泡的成核与生长。

表 3 发泡材料的制备工艺及特点
Table 3 Preparation processes and characteristics of foaming materials
类型 制备方法 影响发泡的工艺条件 特点
模压发泡 在模具中对共混物料进行加热/加 温度、压力、加工时间、脱气 发泡时间短，易于操作；受模具影响大，泡孔形
压，再通过减压/放气使其膨胀， 时间、模具等 貌呈“三明治”夹层结构，外层致密，泡孔尺寸
最后脱模制得泡沫 [75] 小、密度大，内部泡孔尺寸大 [23]
烘焙发泡 共混物料在烘焙模具中加热发泡 [21] 发泡温度、发泡时间、模具等 需要加入硬脂酸、瓜尔胶等脱模剂使制品易于脱
模；泡沫表层密度较高，内部孔隙率较大，且泡
孔结构多为开放式；烘焙时间较长 [75]
挤出发泡 可以直接挤出发泡，也可以通过两 温度、机筒压力、降温速率、 低成本、高产量、短时间（2~15 min）、工艺简
步成型工艺，即双螺杆挤出机造粒， 剪切力、进料速度、填充比、 单连续、不需要预成型；发泡影响因素复杂、泡
[3]
单螺杆挤出发泡或热压发泡 [76-77] 螺杆转速、螺纹配置等 孔分布不均匀、孔隙率控制不佳、所需工具昂贵 [78]
超临界流体 在挤出过程中，向熔体中注入超 除了受挤出发泡工艺条件影 超临界流体气体表面张力小，兼具液体的密度和
挤出发泡 临界 CO 2 或 N 2 以形成微孔结构 响之外，还受气体溶解度和扩 流动性及气体的黏度和扩散系数 [78] ，易在淀粉熔
散速率、高分子与气体的相互 体中迅速溶解，可以提高材料的发泡倍率；泡孔
作用等影响 [79-80] 调控不佳 [72]
冷冻干燥/ 所需步骤：(Ⅰ)冷冻；(Ⅱ)一次干 冷冻温度、时间等 泡孔结构由冰晶大小和分布决定，在–196 ℃高冻
溶剂交换 燥；(Ⅲ)二次干燥 [81-83] 结率下形成微泡沫，在–15 ℃低冻结率下形成大
泡沫；所适用的材料范围小 [84]
微波发泡 共混物料中的极性分子在微波电 微波功率、微波加热时间、模 受热均匀、热效率高、合适的泡孔结构及更大的
磁场作用下运动，将电磁能转化 具结构等 泡孔尺寸、无残留物；具有良好的微波吸收能力
为热量，发泡剂受热产生气体使 的材料才可以被发泡，所生产的泡沫密度较高 [84]
材料发泡 [85-86]

a—挤出；b—热压；c—微波；d—冷冻干燥；e—溶剂交换

图 3 不同制备工艺下的淀粉基发泡材料的内部泡孔形貌 [87]
Fig. 3 Internal bubble pore morphologies of starch-based foaming materials under different preparation processes [87]

在工业上，挤出发泡工艺成熟且成本低，常用 张惠莹 [89] 、陈帅 [90] 也对生物质材料的发泡专用模具
于半间歇和连续工艺生产，是制备聚合物泡沫使用 进行了设计。
最广泛的技术。然而，挤出工艺参数复杂，泡孔结 与传统的加热方式相比，微波并不受限于通过
构难以控制，而且需要处理残留物。与挤出工艺相 材料表面进行热传递，它可以穿透材料，在整个材
比，模压发泡和烘焙发泡工艺简单，但成型过程中 料内形成均匀的温度分布，从而得到泡孔质量较好
材料受热不均匀，模具排气不顺畅等问题会导致泡 的泡沫 [84] 。聚四氟乙烯模具（PTFE）常被用于微波
孔质量下降。为解决此问题，张传伟 [88] 提出了一种 发泡，微波发泡成型的步骤主要为：将淀粉基材料
单边空腔自由式发泡工艺，并开发设计了相应的发 与具有良好吸收微波能力的发泡剂混合（如 H 2 O、
泡成型模具，使材料内部泡孔充分自由生长。此外， NaHCO 3 、AC 等）；在微波辐射过程中，材料体系