探索聚醚嵌段酰胺泡沫的微观结构与力学性能关系

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探索聚醚嵌段酰胺泡沫的微观结构与力学性能关系 （ DOI: 10.1016/j.jmps.2019.103825）

在材料科学领域，聚醚嵌段酰胺（PEBAX®）泡沫因其独特的微观结构和优异的力学性能而备受关注。近期，法国巴黎综合理工学院和阿科玛公司合作的一项研究深入探讨了这种泡沫材料的微观结构与力学性能之间的关系，揭示了影响其性能的关键因素。

研究背景

聚醚嵌段酰胺泡沫是一种具有蜂窝状微观结构的聚合物材料，其灵感来源于自然界的轻质高强结构，如木材、多孔骨和蜂窝。这种材料不仅因其轻质和低成本而受到青睐，还因其可调节的力学性能而被广泛应用于多个领域。其力学行为受聚合物的组成相和微观结构参数（如密度、孔径和壁厚）的强烈影响。

实验方法

研究团队通过模具开模泡沫注射成型工艺制备了五种不同质量比的硬段（PA12）与软段（PTMG）的聚醚嵌段酰胺泡沫。通过扫描电子显微镜（SEM）对样品进行分析，精确测量了孔径大小和形状比，以表征泡沫的微观结构。力学性能测试包括在小应变和大应变下的压缩测试，以及应力松弛和应变恢复测试，以全面评估泡沫的粘弹性。

微观结构表征

实验结果显示，泡沫的微观结构强烈依赖于硬段和软段的比例以及加工过程中的保压时间。DSC分析表明，保压时间对聚合物的宏观分子结构影响较小，但硬段与软段的比例对结晶度有显著影响。SEM图像揭示了泡沫的各向异性微观结构，孔隙沿模具开模方向拉长。通过图像分析软件，研究者计算了孔隙的平均面积和形状比，发现硬段含量较高的泡沫具有更大的孔隙尺寸。

Figure 1. Scanningelectron microscope backscattered electron image of PEBAX® foams cut perpendicular to the direction of moldopening.

力学性能分析

在小应变下，泡沫的初始线性弹性模量主要受硬段质量比和微观结构精细度的影响。大应变下的力学响应也显示出类似的趋势。研究还发现，减少保压时间和压力会导致出现不期望的大孔隙，这些孔隙在微观上对泡沫的力学行为影响不大，但在大应变下会导致显著的不一致性。

Figure 2. Damagehysteresis and viscoelasticity hysteresis calculated according to Figure 8 for cyclic stress–strain .

Figure 3. Strainrecovery at zero stress after each cycle for tests

Figure 4. Stressrelaxation versus time for samples submitted to uniaxial compressions at 50%.

Figure 5.  Strainrecovery recorded with respect to time when unloading and further zero-stress step for samples previously submitted to 50% uniaxial compressions during 24 h.

关键结论

该研究得出的关键结论是，聚醚嵌段酰胺泡沫的力学行为首先受硬段与软段比例的控制，其次受微观结构精细度的影响。硬段的增加提高了材料的弹性模量和抗压强度，而微观结构的优化则进一步改善了材料的力学性能。此外，保压时间的调整对泡沫的均匀性和力学性能的一致性具有重要影响。

应用前景

这项研究不仅增进了我们对聚醚嵌段酰胺泡沫材料的理解，还为优化其加工工艺和设计新型高性能泡沫材料提供了科学依据。通过调整硬段与软段的比例和加工参数，可以定制具有特定力学性能的泡沫材料，以满足航空航天、汽车制造、运动器材等领域的多样化需求。

总之，聚醚嵌段酰胺泡沫因其独特的微观结构和可调节的力学性能而展现出广阔的应用前景。随着研究的深入和技术的进步，这种材料有望在更多领域发挥重要作用，为现代工业的发展提供有力支持。

                                      （注：本文基于期刊论文内容整理，旨在介绍研究成果，不涉及任何商业用途。）