现有研究已表明发泡材料的力学性能与泡孔结构关系密切，如强度和模量主要是受发泡材料的相对密度影响。但对于冲击性能而言，相关研究较少且至今没有明确的结论提出。近年来，PLA发泡材料发展迅猛，但提高PLA发泡材料韧性的相关研究仍处于起步阶段。因此，非常有必要系统地研究PLA发泡材料泡孔尺寸与冲击性能之间的关系。
近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所汪龙研究员和四川大学杨伟教授在聚乳酸发泡材料力学性能调控方面取得进展。研究人员以PLA为基体，PBAT为增韧相，通过二次开模微孔注塑发泡工艺（如图1）成功制备得到了膨胀倍率相同但泡孔尺寸不同的PLA发泡材料。研究发现通过调控泡孔尺寸即可实现PLA/PBAT发泡材料的脆韧转变，冲击强度最高可提升近210%，且存在临界泡孔尺寸（如图2）。进一步，发现改善PLA和PBAT相容性可将临界泡孔尺寸从15 mm提高至30 mm。通过冲击断面分析及单侧缺口弯曲试验结果分析，研究人员提出了泡孔尺寸主导的增韧机理（如图3）：随着泡孔尺寸减小，泡孔壁厚度也随之减小，在冲击过程中，相邻泡孔以及PBAT相的应力场互相叠加，可阻碍泡孔间的银纹直接发展成为裂纹，引发基体地剪切屈服及泡孔的塑性形变，极大地提高冲击性能。该工作为高韧性PLA发泡材料的制备提供了通用的策略。该工作以“Supertough Polylactide Blend Foams with Controlled Cell Size”为题发表于国际期刊Macromolecule（DOI:10.1021/acs.macromol.4c02051）。宁波材料所和宁波诺丁汉大学联培博士生吴明辉为该文论的第一作者，宁波材料所汪龙研究员和四川大学杨伟教授为该论文的共同通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金、宁波市2025重大专项和中科院百人计划的大力资助。
图2 （a）未改性和（b）改性PLA/PBAT发泡材料比冲击强度
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和汪龙研究员一直致力于研发满足市场应用需求的聚乳酸发泡材料。目前，其团队突破了通用聚乳酸微发泡的技术难题，用超临界连续挤出发泡法、釜压发泡法以及注塑微发泡法都可以制备出高膨胀倍率的聚乳酸发泡材料（Ind. Eng. Chem. Res, 2013, 52: 13411-13421; Ind. Eng. Chem. Res, 2016, 55, 12557-12568; Chem. Eng. J, 2017, 327:1151; Int. J. Biol. Macromol., 2024, 269: 132138.）。用釜压发泡工艺也成功实现了膨胀倍率为20～50倍的聚乳酸发泡珠粒的可控制备（中国发明专利，申请号：201911171912.4）。该技术制备条件温和、生产过程稳定，具有极高的产业化价值。将聚乳酸发泡珠粒采用传统的水蒸气成型机进行成型，根据模具的设计差异，可以制备出不同形状的聚乳酸发泡制品以满足市场应用需求。此外，通过对来源同样广泛，且可再生、可生物降解，并具有优良力学性能的纳米纤维素（CNF）进行表面改性，进而开发了一系列质轻且具有优异力学及隔热性能的PLA/CNF泡沫（Carbohydr. Polym., 2022, 26: 119320; Int. J. Biol. Macromol., 2022, 205: 740;J. Supercrit. Fluids, 2022, 190: 105758; Carbohydr. Polym., 2023, 302: 120419.）。因注塑微发泡法可以一步成型结构复杂的泡沫制品，具有加工成型循环周期短的优势，商业应用前景非常广阔。目前已开发出了具有优异力学及耐热性能的PLA泡沫（Int. J. Biol. Macromol., 2023, 245: 125490; Polymer, 2024, 298: 126883.）。采用注塑微发泡法制备了轻质高强的PLA/CNF发泡材料，其密度为0.05～0.7 g/cm3，最大比拉伸强度为60 MPa，最大比杨氏模量为2.2 GPa（PCT专利，申请号：PCT/CN2020/114854，中国发明专利，申请号：201911171912.4）。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c02051
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