[发明专利]具有梯度孔隙结构的泡沫、其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有梯度孔隙结构的泡沫、其制备方法和应用，该制备方法包括如下步骤：将质量比为(2～3)：1：(0.05～0.08)的发泡剂、固化剂和水迅速搅拌均匀，然后在60～70℃的真空条件下熟化。本发明的泡沫以发泡剂为主要材料，在制备过程中加水形成梯度孔隙度，具有抗撞击和隔热性能。

技术领域

本发明涉及泡沫的制备方法，具体地，涉及一种具有梯度孔隙结构的泡沫、其制备方法和应用。

背景技术

高分子泡沫内部储存大量封闭的气体，当其收到撞击时，可以发生形变，将外界能量转化为弹性势能，从而起到保护结构的作用；另一方面，这种多孔结构内部储存的空气是热的不良导体，所以在隔热领域泡沫是最重要的材料。但是当前市场上的泡沫都是均一孔隙度的，这种结构无论是在抗撞击，还是隔热方面都不如梯度孔隙度结构。

此外，在自然界中，许多生物组织或器官具有中空结构，这种结构的代表性特点之一是重量轻、强度高，如竹竿、叶柄和骨的中空夹层结构，具有梯度孔隙率，可有效提高其抗弯抗扭性能。另一个代表性特点是缓冲能量吸收和隔热，例如，柚皮的孔隙率梯度结构可以通过传递应力和应变有效保护其内部果实和最外层皮肤。受自然界中空夹层的启发，这种设计广泛应用于包装领域。不仅如此，多孔界面结构可以提供大量的不动空气，这大大降低了传热效率，并提供了低温环境下表面防结冰和自清洁功能的可行性。尽管研究人员已经能够通过在多孔结构中储存低冰点液体(如硅油)来防止结冰，然而，该种防冰方法耐久性并不好，需要不断添加低冰点液体，以取代表面结冰带来的低冰点液体损失。因此，迫切需要找到一种具有良好机械性能和耐久性的防冰结构。

荷叶是自然界最具代表性的自清洁表面，其优异的拒水功能主要由表面上的多级微纳米结构和蜡材料保证。然而，荷叶表面功能的耐久性不仅在于其灵活的多级结构保证，更重要的是，其中空夹层设计传递了表面应力和应变，从而减少外力对其表面微纳米结构的破坏，提高其在自然环境中的稳定性。结合中空夹层对隔热的贡献，可以看出，通过整合表面形貌和中空夹层设计，可以实现稳健的防冰功能。

表面和界面结构的结合以实现更复杂的功能是自然界进化的结果。例如，荷叶的柔性多级乳头及其蜂窝中空夹层的协同效应可以将应力从表面传递到底部，从而减少对表面上弱微纳米结构的影响，提高结构的稳定性和功能的可靠性。这种设计在自然界中非常常见，但在工业生产中，需要进一步研究和开发。

发明内容

针对上述均一孔隙度结构性能差的问题，本发明提供了一种具有梯度孔隙结构的泡沫、其制备方法和应用，该泡沫以发泡剂为主要材料，在制备过程中形成梯度孔隙度，具有抗撞击和隔热性能。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种具有梯度孔隙结构的泡沫的制备方法，该制备方法包括如下步骤：将质量比为(2～3)：1：(0.05～0.08)的发泡剂、固化剂和水迅速搅拌均匀，然后在60～70℃的真空条件下熟化。

本发明通过在泡沫形成过程中，加入少量水，并在底部加热在泡沫内部形成温度梯度，进而产生大小梯度，空气的低导热率将提高泡沫的隔热性。

优选地，所述发泡剂为聚氨酯发泡剂、单异氰酸酯发泡剂、二异氰酸酯发泡剂或多异氰酸酯发泡剂。

本发明第二方面提供一种具有梯度孔隙结构的泡沫，该泡沫由上述的制备方法制得。

本发明第三方面提供一种上述的泡沫在制备隔热防冰材料中的应用。

具体地，所述隔热防冰材料包括泡沫层，所述泡沫层具有疏水性的微纳锥阵列表面。

进一步地，所述微纳锥阵列表面的锥形结构最大直径为0.4～0.6mm，高度为2～3mm。锥形结构密度在100/cm²左右。

优选地，所述隔热防冰材料的制备方法为：