宁波材料所在聚对苯二甲酸-2,5-呋喃二甲酸乙二醇共聚酯发泡方面

　　聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因分子链对称和刚性而具有优异的力学性能、耐热性和尺寸稳定性，广泛应用于聚合物发泡领域，包括建筑、汽车、船舶、风力发电、食品包装等。当前全球的PET年产能在7000万吨以上，其中我国5000万吨以上。聚对苯二甲酸-2,5-呋喃二甲酸乙二醇共聚酯（PEFT）作为新型部分生物基共聚酯，其开发有助于推进聚酯材料的绿色可持续发展，因此其应用备受关注。当前，PEFT在发泡领域的应用尚待研究探索，在此背景下，中国科学院宁波材料技术与工程研究所高分子先进加工团队郑文革研究员、庞永艳研究员与生物基高分子材料团队朱锦研究员、王静刚正高级工程师在PEFT发泡方面开展了交叉创新研究，取得了以下研究成果。

　　（1）深入认识了PEFT的熔融结晶和冷结晶动力学

　　一方面，开展了PEFT的非等温熔融结晶和冷结晶动力学研究，阐明了共聚单元2,5-呋喃二甲酸（FDCA）对PET分子链结晶的限制作用，其对熔融结晶的影响比对冷结晶更明显。在相同的升温/降温速率下，冷结晶远快于熔融结晶（J. Mater. Sci. 2022, 57, 17503-17516）。另一方面，开展了PEFT的等温熔融结晶和冷结晶动力学研究，获得了不同FDCA含量的PEFT的半结晶时间与等温结晶温度的对应关系，为后续利用结晶调控PEFT发泡奠定了研究基础（图1）。

　　（2）确定了PEFT的发泡温度窗口

　　共聚单元FDCA会造成PET结晶速率变慢、分子链刚硬、气体阻隔性增强，导致PEFT发泡困难，发泡窗口难以掌握。本部分通过确定发泡温度上、下限，确定了PEFT合适的发泡温度窗口。随着FDCA含量增加，一方面，PEFT熔点和结晶度逐渐降低，导致发泡上限逐渐降低，另一方面，PEFT分子链变得更刚硬，且对CO2的吸附逐渐减少，导致发泡下限逐渐升高，最终导致PEFT发泡温度窗口逐渐变窄（图2）。该发现不仅有利于精准掌握PEFT的发泡温度窗口，还对其他半结晶共聚物的发泡具有重要指导意义（Polymer 2022, 254, 125101）。

　　（3）实现了PEFT发泡材料泡孔结构的有效调控

　　基于PEFT自身结晶较慢的特点，分别利用熔融结晶和冷结晶为手段，在发泡前调控结晶，利用晶区与非晶区界面提供异相成核点增大气泡成核密度，实现了PEFT泡孔结构的有效控制，获得了泡孔均匀的发泡材料（图3）（Ind. Eng. Chem. Res. 2023, 62, 1404-1414; J. Mater. Sci. 2023, 58, 2025-2038），并且，利用冷结晶调控可获得泡孔尺寸更小、泡孔密度更大的发泡材料。

　　（4）提出了PEFT泡孔结构随结晶度变化的一般规律

　　基于PEFT发泡材料泡孔结构的调控研究，提出了泡孔结构随结晶度的变化规律：随结晶度增加，泡孔尺寸减小，泡孔密度增大，膨胀倍率先增大后减小（图4），为泡孔结构变化和调控提供了一般规律和基本遵循。

　　（5）验证了PEFT在发泡领域的应用

　　通过利用结晶调控泡孔结构，获得了具有良好隔热性能的PEFT发泡材料，并实现了PEFT与PET发泡材料在相似的膨胀倍率下具有比较接近的隔热性能（图5），相关成果申请发明专利3项（专利号：202210282946.6、202210283220.4、202111468632.7），以上成果有望助推PEFT在发泡材料领域的应用。

　　以上工作是在庞永艳研究员和郑文革研究员指导下，由硕士研究生王智军为第一作者完成。本研究获得了国家自然科学基金面上项目（52273047）、宁波市科技创新2025重大专项（2018B10013）和浙江省重点研发计划（2021C01005）的资助。


图1 PET和PEFT熔融结晶(M)和冷结晶(C)的半结晶时间：(a)非等温，(b)等温

图2 (a)PEFT5%在不同温度下发泡后的泡孔结构，(b)PEFT发泡窗口随FDCA含量的变化

图3 PET和PEFT发泡材料泡孔尺寸(1)和膨胀倍率(2)随等温结晶温度的变化：(a)熔融结晶，(b)冷结晶

图4 PET和PEFT发泡材料泡孔结构随结晶度的变化：(a)泡孔尺寸，(b)泡孔密度，(c)膨胀倍率

图5 (a)熔融结晶调控后PEFT5%发泡材料的隔热性能，(b)PET和PEFT发泡材料隔热性能随膨胀倍率的变化