泡沫塑料是塑料中含有大量气孔的材料， 与未发泡塑料制品相比， 它具有质量轻、成本低、导热率小比强度高、隔音、能吸收大量冲击能量等优点， 广泛应用于包装、运输、汽车、保温、建筑等材料。在一些工业发达国家， 发泡塑料的生产已经成为一种重要的工业行业。 
　　常见的泡沫塑料主要包括聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）和聚烯烃三大类。其中聚苯乙烯发泡制品难降解、回收困难， 是世界公认的“白色污染”，联合国环保组织已于2005年宣布在全世界范围内停止它的生产和使用。而以聚氨酯为材料的发泡塑料，由于在发泡过程中会产生有毒的异氰酸酯残留物、不能回收， 也限制了它的发展。相对而言，聚烯烃尤其是聚丙烯发泡塑料存在很多优点，比如其具有优良的耐热性（最高使用温度可达130℃），常温下较高的韧性拉伸强度和冲击强度，优异的耐微波性和可降解性以及从挤出发泡到热成型总的加工成本低于发泡PP等，引起了人们的高度重视。作为发泡PS的优良替代品，在日本、美国、德国等世界发达国家得到了大力发展。 
　　然而，与非结晶的PS相比， 结晶PP的发泡温度范围窄，发泡难度大。在熔点以下， 体系黏度大，气泡难以生成，而在熔点以上，体系黏度迅速下降，熔体强度低，导致气体在体系中逃逸难以形成封闭的气泡。同时，在冷却阶段，由于PP结晶放热量大，体系黏度变低，使得形成的气泡可能进一步被破坏。 
　　人们采用了各种方法来改进PP的这种缺点，所有的方法都具有相同的目的，即提高体系在发泡时的熔体强度。目前主要采用的方法有：直接使用高熔体强度PP、化学交联和接枝、共混改性。 
　　1.基于高熔体强度聚丙烯树脂的研究 
　　使聚丙烯具有良好的发泡性能最直接也是最简单的方法就是采用高熔体强度的支化PP 树脂（HMSPP）作为发泡材料或主要组分。支化PP树脂具有比普通PP更高的熔体强度， 它最先由比利时的Montell 公司开发出来并实现工业化，该公司生产的Pro-faxPF-814树脂具有比普通线性PP高出9倍的熔体强度（与普通PP的性能对比见表１）。此后，其它一些国家和公司（如韩国的三星综合化学公司、Chisso  America等）也相继开发出了大量的HMSPP产品，目前已在这些地区广泛应用。郦华兴等对国外PP材料挤出发泡的研究进行了报道。对比了线性PP和支化PP的挤出物理发泡性能。在相同的实验条件下，两种材料的发泡特性体现出巨大的差异：线性PP发泡时，即使采用水急冷，气泡的开孔率仍然很高，且泡孔彼此相连，而支化PP的气泡合并现象很少。由此可见熔体强度对发泡性能的影响十分明显。 
　　表1  高熔体强度PP与普通PP的主要性能比较 
　　性能 测试方法 Pro-faxPF-814 普通线性PP 
　　熔体流动指数，g/10min ASTM D1238 2 3 
　　密度，g/cm3 ASTM D1505/792 0.91 0.90 
　　拉伸屈服强度， MPa ASTM D538 40 37 
　　弯曲模量，MPa ASTM D6908 2206 1700 
　　缺口冲击强度（23℃）， J/m ASTM D256 27 64 
　　热变形温度（0.45MPa），℃ ASTM D648 135 110 
　　熔点，℃ DSC 168 157 
　　除了直接采用高熔体强度的PP外，为降低成本，可以利用其对普通PP进行共混改性，以达到增加体系熔体强度的目的。刘振龙等以质量分数为10%~15%HMSPP分别与均聚和共聚PP进行共混。采用均聚PP为树脂基体的材料具有较高的刚性，但是发泡倍率以及材料韧性不及以共聚PP体系，这主要是均聚PP较高的结晶度决定的。当在以 HMSPP/均聚PP体系中加入第三组分弹性体乙烯辛烯共聚物（POE）后，可以增加发泡倍率，改善发泡材料的韧性。此外，文章对三种不同的化学发泡剂的发泡效果进行了对比，它分别是HP-20P、EP1755和RA。其中HP-20PEP1755为吸热型发泡剂，一旦受热停止，发泡剂就会停止分解，材料的形态体现为较小的泡孔。而RA属于放热型发泡剂，在没有吸热的情况下仍可能继续分解，导致气泡孔径的增大。 
　　2.基于化学或辐射交联提高熔体强度的研究 
　　2.1 化学交联提高熔体强度 
　　由于我国高熔体强度PP的生产还是空白，为增加熔体强度，国内在PP发泡方面的研究主要集中于PP的化学交联上。王兰等以过氧化二异丙苯（DCP）为交联剂， 二乙烯基苯为助交联剂研究了发泡PP挤出型材的性能受各组分以及工艺条件的影响，通过设计正交配方实验方案，发现按照用量对制品拉伸强度影响最大的因素分别为：AC发泡剂、交联剂、成核剂以及发泡助剂PbSt。徐志娟等利用发泡剂（AC）、交联剂（DCP）研究了PP在挤出发泡过程中工艺条件的影响， 发现挤出机头的设计对制品的发泡形态有重要影响，如果机头口模设计不合理，导致螺杆和机头之间出现压力损失，很容易引起熔体的提前发泡， 导致熔体在离开机头后爆炸式膨胀而引起熔体破裂。同时，螺杆的转速也对制品质量有很大影响，转速太低，机头处的背压低，容易发生提前发泡，而当其转速过高时，则会产生熔体滑移现象，导致熔体流动的不稳定性，最终产生熔体破裂。从温度方面考虑，一方面温度越高，气体在熔体中的溶解度越低，容易导致提前发泡，另一方面，温度越高，熔体强度会降低，不利于泡孔的形成，因此机头温度应尽可能低。 
　　李迎春等以过氧化二异丙苯（DCP）为交联剂，二乙烯基苯为助交联剂，AC为发泡剂对PP模压板材的发泡进行了报道。他们首先对交联过程进行了研究，发现交联剂和交联助剂的用量直接影响泡沫制品的性能，用量太小，熔体强度不够，用量太大则会产生凝胶化，影响材料加工。在发泡剂的用量与制品性能图上，存在一个最优值，制品的冲击强度首先随发泡剂用量的增加而增加，达到最大值后，性能反而随之下降，这通常是由于发泡剂含量太大，气体体积增加导致气孔破裂引起的。同时，模压时间、压力以及温度都对制品的发泡性能有很大影响：模压时间的长短决定了发泡剂的分解时间，时间太短，发泡剂不能完全分解，而时间如果太长又会导致PP的降解，而模压力和模温则直接关系到熔体的黏度，压力小、气泡的孔径大，会导致气体的逃逸；压力太大的话，外压释放时，熔体无法承受内部气体的高压也会导致气泡的破裂。 
　　方少明采用AC发泡剂，交联剂DPC以及一些偶联剂、发泡成核剂和助发泡剂，对 CaCO3 交联PP复合体系的注射成型进行了研究。大量CaCO3 （80%） 的加入一方面提高了熔体的黏度，有利于气泡的稳定，另一方面针状的CaCO3粒子能有效的阻止裂纹的发展，降低材料对缺口冲击的敏感性。 
　　除了采用常规的交联剂对PP分子进行交联以提高熔体强度外，还可以对PP主链进行接枝。G．J．Nam通过反应挤出接枝，对线性PP和接枝PP的流变学性能和挤出发泡进行了比较，发现长链接枝可以大大提高PP的零剪切粘度 、抗熔垂性和拉伸变硬性。反映在发泡性能上，就使得材料具有更好的泡孔形态和尺寸，以及更高的发泡倍率。黎勇等对接枝改性PP的发泡进行了研究，采用过氧化物作为引发剂、线性不饱和聚酯作为支链，在双螺杆挤出机上进行反应挤出，红外分析表明，接枝率可达89.3%。接枝能改善PP的流变性能，降低结晶度，使熔体强度对温度的敏感性下降，从而拓宽了材料的发泡温度范围。 
　　2.2 辐射交联提高熔体强度 
　　随着核能的和平利用，使通过辐射交联来提高PP熔体强度的方法变为可能，与化学交联法相比，辐射法节能、工艺简单、条件容易控制，是目前唯一已工业化的方法，也是高分子材料绿色化技术的一种发展趋势。 
　　据报道，美国Scheve 和日本Yoshii等人在无氧条件下通过辐射得到了高熔体强度的 PP。我国北京化工研究院也通过辐照交联支化方法成功研制出高熔体强度的PP，它具有比普通PP高 50%以上的熔体强度，发泡倍率可达20倍以上。高键明等采用辐射方法对PP交联改性，并对其发泡性能进行了研究，发现在辐射交联过程中，多官能团敏化剂的种类、浓度、辐射剂量以及辐照后的热处理都对交联度有较大影响，总的来说当敏化剂为 1,6-已二醇二丙烯酸酯（HDDA），含量为 0.3%、辐射剂量为 0.4kGy 时具有最好的交联效果，并且当体系凝胶含量在30%-45%之间时具有最高的发泡倍率（15倍以上） 。熊茂林等在PP中加入1.0%的二官能团单体SR231作为辐射敏化剂，在氮气环境中采用1kGy剂量的Co- γ 射线辐照，结果PP 熔体强度显著提高，且凝胶含量适中。必须注意的是，化学交联或辐射交联受条件影响大，控制不当时，很容易导致分子链的降解或者是出现过度凝胶化，这可能带来材料力学或性能降低的问题。 
　　3.基于对普通PP进行共混/填充改性的研究 
　　除了以上两种获得高熔体强度 PP的途径外，还可以通过共混或复合填充的方式来改善 PP的发泡性能。 
目前共混改性当中研究较多的是 PE/PP 体系，PP和PE都为结晶度较高的聚合物，两者不相容，PE含量较少时会作为分散相分散于PP基体中。温度升高时，PE熔点低先融化，PP后融化，使共混物的融程变宽，同时PE的熔体强度高于PP，因而可改进体系的熔体强度。SusanE等在对HDPE PP 体系的发泡和力学性能研究中发现，HDPE（30%）分散在PP中会大大降低体系中PP的球晶尺寸并破坏PP结晶的规整性。 
　　此体系用 CO2饱和后，在175℃下发泡30s，可以得到高质量的泡孔结构，作者认为这与两相之间不相容，界面作用力弱，导致气泡在相界面成核有关。相比而言，单独的PE或PP在此条件下都不能得到好的发泡材。P．Rachtanapun等则对不同熔体指数的HDPE与PP共混体系的发泡性能进行了研究，同样采用先将样品条制备好并用CO2饱和，然后在不同的条件下进行发泡的方法。DSC分析显示，HDPE 的加入，会降低体系中两组分的结晶度，导致体系熔点的降低。在不考虑其他条件的情况下，HDPE/PP（30:70） 体系的发泡性比HDPE PP（50:50）体系好，而最佳发泡条件为 175℃、30s。同时， 高熔体指数的HDPE 对发泡有负面作用，因为过高的熔体指数会使体系在发泡过程中失去必须的强度。因此泡孔形态的好坏、发泡率的高低不仅与发泡的条件有关，还与体系在发泡过程中的熔体强度密不可分。 
　　在PP与填料的混合体系中， 通常认为填料与 PP大分子之间会存在一定的物理或化学相互作用， 在熔融状态下使PP分子之间的滑移相对变得困难，起到增加熔体强度的作用。Takashi  Nakjayama等通过对PP纳米粘土复合体系的发泡研究发现，当纯PP（0.2%马来酸酐改性）或含有2%粘土体系进行发泡时，泡孔会随发泡温度的增加而增大，而当粘土的含量达到4%或7.5%后，发泡温度的变化对泡孔尺寸不会产生影响，材料的TEM 照片显示，粘土微纤在泡壁中垂直于径向排列，这导致了泡壁的拉伸变硬，提高了熔体对气体的包裹力，相当于增加了体系的熔体强度。此外，粘土的加入还可以作为异相的发泡成核剂， 提高泡孔的密度。由于发泡是成核与气泡生长相互竞争的过程， 因此对成核行为的研究也显得相当重要。 
　　PP木粉复合体系作为木材的优良替代品，已受到越来越多的重视，而发泡的木粉/PP复合材料比未发泡的材料的密度更小，更接近于真实的木材。 
　　Avndrzej  K等对木粉（30%）填充的PP（熔体流动指数10.5）材料的注射成型发泡进行了报道，研究了包括发泡剂种类对泡孔直径和其多分散性的影响、发泡对制品表面粗糙度的影响以及不同熔体指数PP的影响等。从发泡剂的选用来看，放热型发泡剂体系具有最小的泡孔尺寸和气泡间距，并且泡孔尺寸具有最低的多分散性。作者认为这与发泡剂的分解速率密切相关：分解速率慢，势必引起气泡成核数量少，而此后解产生的气体主要进入已经形成的气泡中，这必然导致气泡数量的减少和单个气泡尺寸的增加。在研究熔体指数对发泡形态的影响时，作者比较了熔体指数为10.5 和90 的两种PP的发泡情况，在其它条件相同的条件下，熔体流动指数大的复合材料明显具有更大的泡孔尺寸。此外，由于注射成型时内部气泡压力的作用，使得注射成型发泡制品的表面光洁度比非发泡制品高出70%。 
　　4.结语 
　　聚丙烯综合性能优良，价格相对便宜，发泡后能进一步降低成本并拓宽其使用范围，具有巨大的应用潜力和广阔的市场前景。我国PP材料的发泡研究目前主要集中于对普通PP的交联改性、各化学组分配比以及发泡工艺条件的研究上，对发泡过程的理论研究不多。因此，在加快高熔体强度聚丙烯树脂的开发和工业化的同时应对PP发泡材料的发泡过程作更深入的研究。