目前，發泡聚苯乙烯（EPS）是發泡珠粒重要的代表之一。但在一些，如美國部分地區，一次性不可降解食品塑料包裝的使用受到了限制。存在苯乙烯單體殘留于環境，并與食品接觸的風險。而單體被懷疑具有致癌作用，故應防止這種情況的發生。因此，聚苯乙烯發泡珠粒的替代材料吸引了人們的關注。一種替代材料是在某些條件下可生物降解的生物基聚酯PLA。該材料被獲準用于食品工業，且價格具有競爭力。此外，PLA的機械性能與PS相當。

　　發泡珠粒的三種生產工藝

　　市場目前已經發展出多種珠粒發泡的成熟生產工藝。根據所用材料的特性，各種工藝的適用程度有大有小。如果由攪拌高壓釜加工發泡珠粒，一般只會用半結晶材料如PP。非結晶聚合物，如聚苯乙烯（PS），則由氣體充滿微粒，再預發泡。第三種可行的方法是通過擠出與水下造粒相結合的連續工藝生產發泡珠粒。PLA是一種可通過上述三種工藝路線加工的聚合物。將單顆發泡珠粒通過燒結或熔接的方式制成成品極具挑戰。這些發泡珠粒通常用蒸汽加熱并熔接在一起。對于半結晶熱塑性塑料如PP，由于重排造成晶體尺寸不同，材料在攪拌高壓釜中加工時導致第二熔點的出現。選擇的加工條件應使蒸汽溫度介于兩個熔融峰值之間（圖1）。因此，一部分聚合物熔化，像膠水一樣將發泡珠粒融合在一起。由于在個熔融峰時只有部分聚合物熔融，因此部件結構可由第二個熔融峰時產生的晶體加以穩定。

　　圖 發泡珠粒的熔接發生在所用聚合物的兩個熔點之間，從DSC曲線（示意圖）可以看出來（圖片來源：IKT；?Hanser ）

　　使用PLA的要求

　　用PLA生產珠狀發泡材料的條件是熔體強度足以形成發泡孔、發泡珠粒可熔接、聚合物在每個工藝階段熱穩定。在文獻和科學出版物中，可以找到非常不同的PLA發泡珠制備方法。實驗室制備發泡PLA的方法是，將PLA顆粒浸漬在高壓釜，接著在水浴中預發泡。為了將單個發泡珠熔接到模制零件上，可以使用涂料或所謂的粘合劑。但這些都很昂貴，且并不總是生物可降解的。

　　PLA微珠發泡材料的不同制備方法

　　一種完全不同的方法是通過對單個發泡珠粒進行等溫處理來產生多個熔融峰。在充滿CO2的過程中，緊鄰的晶體以更高的秩序重新排列（晶體改善），產生額外的、更高的熔融峰。這些得到完善的晶體有助于在發泡過程中異相成核，從而獲得特別精細的發泡結構。

　　創造雙熔融峰

　　另一種產生雙熔融峰的可能性是使用兩種不互溶的聚合物。由于缺乏相容性，這種混合物有兩個熔融峰，從而滿足了發泡珠粒可熔接性的條件，但必須確保發泡后仍存在兩個熔融峰。在德國斯圖加特大學Institut für Kunststofftechnik的一個項目中，以及拜羅伊特大學聚合物工程系主任測試了這類共混體系發泡珠粒的適用性。選擇了生物基的、生物可降解高分子PHBV作為共混物之一。初步試驗表明，PLA和PHBV有兩個熔融峰，符合熔接條件。此外，兩種塑料均可以用傳統設備加工，不需要增容劑等其它可能影響生物降解性，或者無法提供生物基形式的助劑。

　　使用了美國明尼蘇達州Nature Works公司產的PLA Ingeo 7001D生物聚合物和寧波天安生物材料公司的PHBV Enmat Y1000P，由ZSK 26雙螺桿擠出機（德國斯圖加特科倍隆Coperion GmbH產）加工。用流變儀71.97拉伸流變儀（德國布肯G?ttfert GmbH產），在180℃溫度下測定復合材料的熔融強度。

　　用Discovery-HR2混合板式流變儀（TA儀器，英國紐卡斯爾）研究了聚合物的流變性能。在180℃下測試這些化合物。用德國Selb Netzsch GmbH的DSC 204儀器，通過差示掃描量熱法（DSC）分析熔融行為。

　　在發泡前，化合物在拜羅伊特大學自行設計和建造的高壓釜中，用CO2作為發泡劑充滿30分鐘（150 bar、135°C）。使用德國弗賴辛Jeol GmbH JSM 6300F型掃描電子顯微鏡（SEM）檢查泡沫的形態，并根據ISO 1183標準，用位于美國俄亥俄州哥倫布市的梅特勒·托利多（Mettler Toledo AG245）產的密度尺測定密度。

　　PLA+PHBV混合物是否合適

　　在不添加增容劑或其它助劑的情況下，有望制備出基于這兩種聚合物的均相化合物。發泡材料的一個重要特性是熔體強度。如果過低，發泡孔會發生聚結或塌陷，不會形成均勻的精細泡沫孔結構。圖2所示為共混物與純PLA流變曲線的比較。兩條曲線無明顯差異。因此，PHBV的低粘度對熔體強度沒有產生負面影響。由于純PHBV極易發生熱降解，因此使用板式流變儀進行了額外的測量，以檢查粘度是否因PHBV而降低。圖3所示為測量結果。共混物的零剪切粘度高于純PLA，形成了熱塑性塑料常見的低角頻率平臺。研究人員對共混物進行發泡并進行了形態觀察。

　　隨著PHBV含量的增加，孔格形態變得更加均勻。質量分數為90/10的PLA/PHBV共混物密度高。也很容易看出發泡材料有致密的區域，不能完全發泡。另外兩種混合物的平均孔格大小相似，大約為7μm。盡管含20%PHBV的泡沫密度比含30%的低，但泡沫形態顯示出一些較大的孔格是由聚結或細胞塌陷造成的。這些會對發泡材料的機械性能產生負面影響。PHBV含量為30%的發泡材料具有均勻的泡孔形態。

　　如前所述，將發泡珠粒熔接或燒結成終零件是一個要求很高的過程。通常，工藝窗口介于兩個熔融峰之間。研究人員利用差示掃描量熱法（DSC）研究了發泡粒子熔接的理論可行性。因為PLA和PHBV不能與每個峰混溶，圖5和圖6所示為發泡前后的DSC結果。發泡前后的熱譜圖均顯示PLA的熔融峰在160°C左右、PHBV則在175°C左右，因此，所述發泡珠粒具有可作為珠粒發泡材料的潛力。

　　PLA由可再生原材料制成，因此是替代化石基珠粒發泡材料的理想候選材料。為了滿足珠粒發泡所需的性能，特別是熔接用發泡珠粒，可以考慮PLA和PHBV的共混物。研究表明，含30%PHBV的共混物具有均勻的孔格形態和DSC所需的雙熔融峰。在進一步研究中，將采用擠出和水下造粒相結合的方法連續生產發泡珠粒，隨后對發泡珠粒進行熔接?？疾熘瞥傻牧慵臋C械性能，并對熔接進行評估。

　　*本文翻譯自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL雜志