各種水果的果皮都具有良好的緩沖作用，柚子也不例外。柚子致密的外皮具有梯度泡孔結構，泡孔尺寸從外層到內層逐漸增大。這種結構在墜落的沖擊下會逐漸坍塌，從而保護果肉免受損傷。
受到這一現象的啟發，江南大學的研究人員一直在研究一種制備梯度聚氨酯泡沫材料的方法。他們采用壓力輔助一步化學發泡技術，成功制備出泡孔尺寸沿軸向逐漸增大的一體化泡沫，他們將其描述為類似于柚子。
聚氨酯泡沫是一種微孔發泡材料，均勻細膩的泡孔結構賦予了其強度高、韌性好、應力傳遞平穩等特質，因而被廣泛應用于制鞋、緩沖、防爆材料方面。聚氨酯泡沫可通過基體以及泡孔結構的可復性變形耗散能量，尤其在減震方面。大量研究表明，泡沫的機械性能與其相對密度和泡孔形態密切相關。而均質泡沫通體特性扁平化，要提高能量吸收性能往往意味著泡沫密度隨之增加、材料成本上升。因此具有泡孔分級結構的梯度泡沫逐漸成為研究重點。
梯度泡沫材料現有的制備方法
梯度泡沫材料，是成分和結構呈連續梯度變化的一種新型多孔復合材料，可以通過優化結構來滿足其整體功能和性能的設計性要求。聚合物梯度泡沫材料現有的制備方法有：
(1) 粘合法將不同性質的單層材料粘接在一起構建梯度泡沫，上述方法簡單，但存在無法忽視的界面問題，不屬于一體化制備，且由于存在密度突變的粘合層，應力難以跨越強界面繼續傳遞，導致應力首先在界面內聚并在該處產生橫向剪切撕裂作用導致壓潰失效。
(2) 超臨界發泡法需要在高溫高壓的條件下完成對熱塑性材料的氣體飽和吸附，而后經兩段吸附或兩段泄壓過程形成梯度泡孔，該方法能耗高且對設備要求嚴格。
(3) 3D打印法通過沿預定路徑打印熔融線材來制備梯度泡沫，該方法路徑控制比較復雜、且泡孔可變性不高、受打印速度限制產能不高。
(4) 冷凍法采用定向冷凍法制備梯度氣凝膠材料，該方法需要冷熱處理，能耗高、產能低。
(5) 熔融共擠出法通過基料與不同比例的成核劑共混擠出片材后，將片材熔融疊合，因成核劑有利于泡孔形成，所以泡孔分布與成核劑濃度正相關，利用這一特性經發泡后獲得梯度多孔材料，該方法工藝繁瑣且能耗較高。
(6) 微波法與熔融共擠出類似，利用含有不同濃度微波吸收劑的基材片熔融疊合，再經預發泡與微波二次發泡后獲得梯度泡沫材料，因微波吸收劑濃度差異可以形成梯度溫度場，對發泡程度產生影響，形成梯度泡沫；該方法工藝更加繁瑣、所需設備條件更加嚴格且能耗高。
以上方法雖然都可以構建梯度泡沫材料，但都存在一些限制，導致梯度泡沫材料發展的不足。
利用壓力輔助發泡技術一步法化學發泡制備一體化梯度泡沫
為解決上述問題，江南大學的研究人員發明了利用壓力輔助發泡技術一步法化學發泡制備一體化梯度泡沫。該發明采用的技術方法簡單易復現，可以達到降低能耗、減少成本或提升效率等目的。制備得到的梯度泡沫材料實現了密度與泡孔尺寸的連續過渡，避免了界面問題造成的內部破壞。
該發明的技術關鍵在于，外部施加的壓力對泡孔的膨脹起到了一定的制約作用，從而促使泡孔結構發生顯著變化。
在加工的關鍵窗口期內，分子網絡結構尚未完全固化，此時粘度的增加賦予了泡孔壁一定的強度，盡管這種強度尚處于較為脆弱且易于變形的狀態，施加于基體的外部載荷促使泡孔內的氣體從內向外抵抗外部壓力所引起的變形和收縮，直至達到一個動態平衡。這一平衡狀態的結果是泡孔發生彎曲變形，進而形成扁圓形的結構。此外，由于應力傳遞的連續性，泡孔的彎曲變形程度從外向內逐漸減小，形成了一種自然的梯度結構。隨著應力傳導的增強，在相同壓力作用時間下，質密區的厚度會逐漸累積增加。
一體化梯度泡沫的性能表現
在這種一體化梯度泡沫中，出現了連續增大的泡孔尺寸分布。在質密區中，泡孔呈現橢圓形，尺寸較小，密度較高；而在常規區，泡孔則接近圓形，尺寸較大，密度較低。這兩種截然不同的形態特征賦予了彈性體獨特的物理性能。在質密區，由于泡孔壁較厚，壓縮過程中主要通過彎曲變形來耗散能量；而在常規區，泡孔壁較薄，往往伴隨著撕裂來耗散能量。這種更厚的質密區設計有效減少了沖擊過程中基體的撕裂風險。同時，常規區的存在顯著提高了材料的整體比能量吸收能力。
他們通過準靜態壓縮和低速沖擊試驗分析了泡沫，以檢驗發泡技術對泡孔結構的影響及其機械性能的改變。結果表明，增加發泡時間可以減小泡孔尺寸，同時提高密度，從而增強壓縮過程中的應力傳遞和能量耗散。
與傳統的梯度粘合泡沫相比，這種泡沫避免了界面突變，從而實現了穩定且較高的能量吸收。他們表示，一體化梯度泡沫的泡孔尺寸梯度范圍從10微米到近27微米。其比能量吸收率較均質泡沫高出八倍以上。
研究人員表示，所有梯度泡沫在動態載荷下均表現更佳，在更高的應變率下，抗壓強度和能量吸收率顯著提升。他們相信一體化梯度泡沫在防護和緩沖應用方面都具有潛力。
滬公網安備 31011502005575號
