超临界二氧化碳流体发泡技术制备组织工程支架及其泡孔形貌控制研究进展

组织工程支架作为细胞生长的载体,在组织工程再生组织的研究中具有非常重要的地位。传统方法在三维支架的理论研究与制备技术方面均已趋于成熟,但制备过程仍存在工艺复杂,有机溶剂难以去除,制备条件不利于保持生物分子活性等问题。近年来,超临界二氧化碳流体技术利用优越的传质性与环境友好性,已广泛用于制备各种三维结构的组织工程支架,其中以超临界发泡技术最为经典。三维多孔支架在超临界发泡技术制备过程中,泡孔形貌受材料性质、致孔剂种类及工艺参数等方面的影响。本文就采用该技术制备的多孔支架研究进展及存在的问题进行综述,同时对该技术控制泡孔形貌的发展方向提出展望。

微孔发泡聚合物泡孔形貌控制的研究进展

使用超临界流体技术制备微孔发泡聚合物,泡孔形貌是影响微孔聚合物性能的关键因素。针对微孔发泡聚合物泡孔形貌控制,即增加泡孔密度、减小泡孔直径、均化泡孔尺寸分布,从工艺条件、基体性质、共混改性、纳米添加剂、外加力场等影响因素出发,综述了近年来微孔发泡聚合物泡孔形貌控制的研究进展;最后展望了微孔发泡聚合物的前景。

解吸附时间对聚乳酸共混体系泡孔形貌的影响

研究了在超临界CO2发泡过程中解吸附时间对聚乳酸与丁二醇-己二酸-对苯二甲酸共聚酯(PBAT)的二元体系以及添加LAK粒子(硫酸盐)的三元体系泡孔形貌的影响。结果表明,随解吸附时间的延长,各材料平均泡孔尺寸均不同程度地增大,泡孔密度减小;PBAT引起了非均相成核,降低了Gibbs自由能,减小了PLA泡孔尺寸,增大了泡孔密度;LAK粒子引起了空穴非均相成核,效果则更为明显,尺寸最小,但刚泄压时CO2浓度最高,未能发泡。

发泡温度对泡沫铝复合板泡孔形貌及组织性能的影响

对采用包套轧制一粉末冶金法制备的泡沫铝复合板预制坏进行发泡,研究不同温度下预制坏芯层的发泡行为,并通过金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、力学试验机等对泡沫铝复合板的泡孔形貌、芯层组织、物相分布以及三点弯曲性能进行观测。结果表明:复合板预制坏界面结合良好,芯层颗粒致密紧实,粉末实现了较高的合金化。当发泡温度为620℃时,芯层泡孔形貌最佳,孔壁组织均匀,气孔、夹杂缺陷较少,复合板具有最大的弯曲刚度和较高的极限破坏载荷,力学性能优异。

泡孔结构形貌对环氧树脂发泡材料抗压性能的影响

采用超临界CO_2发泡制备了不同泡孔结构和形貌的环氧树脂发泡材料,通过万能材料实验机研究了其抗压性能。采用差示扫描量热分析考察了环氧树脂的固化程度;利用扫描电镜结合排水法密度测试,表征了泡孔形貌、泡孔尺寸、发泡密度及泡孔分布;研究了上述因素对发泡材料抗压性能的影响。结果表明,环氧树脂发泡样品的抗压性能随固化度的增大而增强;当样品完全固化时,闭孔环氧树脂发泡材料的抗压性能较开孔结构和破裂结构强,这与作为支撑结构的泡孔壁的形貌相关。对于闭孔结构的发泡材料,其抗压性能受泡孔尺寸的影响显著,泡孔尺寸越小,材料密度越大,其抗压性能越好。具有双峰泡孔分布的发泡材料,其抗压性能得以改善,较小的泡孔为发泡材料提供了更为致密的支撑骨架结构,比具有同样密度的大尺寸泡孔发泡材料的压缩性能更高。

超临界间歇发泡技术制备聚丁二酸丁二醇酯/海泡石开孔泡沫

采用共混改性的方法制备了聚丁二酸丁二醇酯/海泡石复合材料,通过能谱分析法和旋转流变仪研究了不同海泡石含量在聚丁二酸丁二醇酯(PBS)中的分散情况及其对PBS流变性能的影响。随着海泡石含量的增加,海泡石在PBS基体中越来越密集,但分散仍然均匀。当海泡石含量为10wt%时,复数黏度与储能模量提高了3倍左右。随后,我们利用超临界CO_(2)发泡技术对PBS/海泡石复合材料进行发泡,进一步探究海泡石(Sep)对泡孔结构及吸水、吸油量的影响。实验结果表明,在10wt%的PBS/海泡石开孔泡沫中,泡孔分布均匀,且吸水、吸油性能最佳。

SBA-15形貌对聚乳酸微孔发泡的影响

文章采用水热法合成了球状、棒状与环状三种形貌的SBA-15无机介孔粒子,利用含氟硅烷对粒子进行亲二氧化碳修饰后,用于聚乳酸超临界二氧化碳(scCO2)微孔发泡,探索了粒子形貌对聚乳酸发泡材料的泡孔结构的影响。TG,BET和SEM等分析表明,不同粒子形貌的介孔粒子具有不同的硅烷接枝率,在聚乳酸微孔发泡材料中异相成核作用也不同,就泡孔尺寸和泡孔密度来讲,环状SBA-15粒子对聚乳酸发泡的异相成核作用最好,表明介孔粒子有望成为新型的微孔发泡成核剂。

气体反压对微孔发泡注塑制品泡孔质量的影响

以化学欠注发泡法制备聚丙烯(PP)发泡材料,研究了气体反压(GCP)对泡孔形貌和泡孔参数的影响,同时分析了GCP的影响机理。结果表明,随着GCP从0MPa增大到0.8MPa,泡孔直径从36.09μm增大到41.93μm,规则泡孔层的厚度所占比例从10.9%增加到26.7%,泡孔变形层厚度所占比例从63.7%下降到45.4%,变形区泡孔变形度也从0.53减小到0.304。GCP提高了熔体充模过程中的压力,降低了泡孔在充模中的成核速率,减弱了流场对泡孔的影响,同时泡孔受到熔体的约束力增大,泡孔不易发生变形,泡孔形态变好。

CTBN增韧环氧树脂微孔发泡研究

研究了液体端羧基丁腈橡胶(CTBN)增韧高分子量环氧树脂(EP,牌号CYD–014U)的超临界二氧化碳(SC–CO_2)微孔发泡及其泡孔结构,通过差示扫描量热(DSC)、动态热力学分析(DMA)和扫描电子显微镜(SEM)分别研究了不同含量CTBN共混体系的热性能、动态模量、断面形貌和不同发泡条件下的泡孔结构。研究发现,当CTBN含量从0%增加到30%时,EP/CTBN体系的玻璃化转变温度持续下降,其DSC测试结果从98.44℃下降至81.89℃。SEM观察断面和气体传质发现,CTBN含量增加基体塑化,出现两相结构,体系气体吸附量增加,解吸附速率加快。CTBN含量为10%~15%时,经60℃/12 MPa/72 h气体饱和以及110℃发泡10~15 s,泡孔尺寸为1~2μm,泡孔密度为5.60×10^(10)~6.28×10^(10)个/cm^3;随着发泡时间增加,泡孔经历成核、生长、聚并三个阶段,泡孔尺寸增加,泡孔密度先增后降。

聚乙烯醇/MXene复合材料发泡行为及压缩性能研究

通过超临界二氧化碳(scCO_(2))发泡技术制备聚乙烯醇(PVA)/MXene复合发泡材料,对MXene在复合材料中的均匀性进行表征,探究MXene含量与饱和温度对泡孔形貌的影响以及MXene含量对发泡材料压缩性能的影响.扫描电子显微镜与X射线能谱结果表明,MXene在聚合物中分布均匀,且没有团聚现象发生.MXene在发泡过程中可作为异相成核点,提高成核效率,显著减小了孔径,增加了孔密度.添加1%的MXene发泡材料与纯PVA发泡材料相比,其泡孔密度提高了3个数量级,压缩强度提高了10倍.

釜式发泡制备ABS/PTFE珠粒及成型研究

以聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)为基体,聚四氟乙烯微粉(PTFE)为异相成核剂,经熔融共混挤出造粒后用二氧化碳(CO_(2))釜压发泡的方法,制备了具有均匀泡孔结构的ABS/PTFE发泡珠粒,研究了PTFE在ABS基体中的分布状态,发泡工艺对ABS/PTFE发泡珠粒泡孔形貌、膨胀倍率、堆积密度以及泡孔密度的影响,发现PTFE在ABS基体内呈现直径约为270 nm的纤维状分布,在发泡温度为145~157℃,CO_(2)饱和压力为2.90~4.10 MPa的条件下,制得泡孔直径为35~100μm,发泡倍率为5~20倍,泡孔密度为2×10^(7)~4×10^(8)个/cm^(3)的ABS/PTFE发泡珠粒。并探究了成型蒸汽压力对泡沫板材力学性能的影响,当蒸汽压力为0.08 MPa时,泡沫板材的拉伸强度达到0.4 MPa,完全满足在汽车上使用要求。

白炭黑对RTV硅橡胶泡沫材料流变性能和力学性能的影响

选用5种型号的白炭黑补强室温硫化(RTV)硅橡胶泡沫材料,探讨了不同制备方法及表面改性的白炭黑对硅橡胶泡沫制备过程中基础胶料流变性能和硅橡胶泡沫力学性能的影响。结果表明,白炭黑用量相同时,添加疏水性白炭黑的胶料的固化速率比添加亲水性白炭黑的快;随着气相法白炭黑含量的增加,固化速率加快,而沉淀法白炭黑却相反;沉淀法白炭黑在硅橡胶中的分散性不及经疏水处理的气相法白炭黑;随着白炭黑含量的增大,硅泡沫的泡孔变小,拉伸强度提高。

硅橡胶分子量对硅泡沫性能影响的研究

选用4种不同分子量的液体硅橡胶(107硅橡胶)作为生胶制备出了室温下固化的硅橡胶泡沫材料。探讨了生胶胶料黏度对固化速度的影响,以及分子量大小对硅泡沫的泡孔形貌、物理力学性能、热稳定性的影响。随着基础胶料黏度的增大,凝胶时间及其表干时间缩短,即固化速度加快;随着生胶分子量的增大,硅泡沫的泡孔变小,拉伸强度、压缩模量逐渐增大,压缩永久变形逐渐减小;生胶分子量对硅泡沫的热稳定性影响较小,白炭黑的加入有利于提高硅泡沫的热稳定性。

超临界CO_2对发泡PP/木粉复合材料性能的影响

以超临界CO2为发泡剂,对聚丙烯(PP)/木粉复合材料进行快速降压发泡,并通过扫描电镜进行泡孔形貌观测。通过控制变量法,研究了发泡温度、饱和压力、降压速率和木粉质量分数对发泡体系泡孔形貌的影响,从超临界CO2溶解过程、泡孔成核过程以及泡孔孔径增大过程三方面分别进行了分析,并结合反应条件研究了泡孔密度及泡孔孔径的变化规律及其机理。

EVA/HSP复合发泡材料的制备和性能

以用途广泛的乙烯-醋酸乙烯酯(ethylene-vinyl acetate, EVA)为基体,采用模压成型工艺制备了EVA/汉麻秆芯粉(EVA/hemp stem powder, EVA/HSP)复合发泡材料.通过扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)观察了EVA/HSP复合发泡材料的泡孔形貌,通过哈克转矩流变仪研究了EVA/HSP复合发泡材料的流变形能,表征了不同HSP添加量的EVA/HSP复合发泡材料的吸湿快干性能和力学性能,探讨了HSP添加量对吸湿快干性能和断裂伸长率的影响机制.结果发现,当HSP的添加量为10～20 phr时,材料的综合性能最优.这是因为适量的HSP有助于改善材料的泡孔形貌,兼具补强和增韧的效果,并赋予了材料优异的吸湿快干性能.

发泡剂与螺杆转速对PP等挤出发泡性能的影响

以BIH40为发泡剂,采用挤出成型工艺,分别制备了聚丙烯(PP),低密度聚乙烯(PE–LD)和聚乳酸(PLA)挤出发泡材料,研究了发泡剂含量和螺杆转速对这3种发泡材料挤出发泡性能的影响。结果表明,当螺杆转速为26 r/min时,随着发泡剂含量从0.5%增加到2.0%,3种发泡材料的发泡倍率均逐渐增大,PP和PE–LD的泡孔平均尺寸也增大,而PLA的泡孔尺寸先增大后减小。当发泡剂质量分数为2.0%时,随着螺杆转速从26 r/min提高到42 r/min,PP的发泡倍率增大,泡孔平均尺寸减小;PE–LD的发泡倍率和泡孔平均尺寸均先增大后减小;PLA的发泡倍率基本不变,泡孔平均尺寸略有下降。当发泡剂BIH40质量分数为2.0%时,在相同螺杆转速下,PLA的发泡性能要优于PP和PE–LD,其泡孔尺寸较PP和PE–LD更小更均匀,单位面积上的泡孔数量明显高于PP和PE–LD。

HSP含量对EVA发泡材料微观结构和力学性能的影响

采用注射成型工艺制备了一系列不同配比的乙烯-乙酸乙酯共聚物(ethylene-vinyl acetate,EVA)汉麻秆芯粉(hemp stem powder,HSP)发泡材料.通过扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)观察了HSP的结构形貌和EVA/HSP发泡材料的泡孔形貌;通过哈克转矩流变仪和旋转流变仪测试了EVA/HSP共混物的熔体强度和储能模量;探究了HSP含量对EVA/HSP发泡材料力学性能的影响规律.研究结果表明:HSP表面含有大量的裂缝和凹槽;随着HSP含量的增加,EVA/HSP发泡材料的泡孔尺寸由79.64μm下降到69.85μm,EVA/HSP共混物的熔体强度由3.7 N·m提升到4.5 N·m,EVA/HSP发泡材料的密度、硬度、拉伸强度和回弹性下降,断裂伸长率和压缩永久变形提高.

双峰结构硅橡胶泡沫的制备

通过超临界CO_2发泡制备了MMT-SiO_2/MVQ复合泡沫材料。研究了MMT对硅橡胶复合体系流变性能,以及成核机理的影响,并且系统的研究了发泡工艺对泡孔形貌的影响。结果表明,MMT对硅橡胶基体补强作用较弱,在基体中与白炭黑均作为异相成核剂,发生异相成核,从而获得具有双峰泡孔结构的硅橡胶泡沫。此外,通过优化工艺参数可以获得更好的微孔硅橡胶泡沫。

微孔NC/TEGN/RDX复合材料的制备及力学性能

以硝化纤维素(NC)、太根(TEGN)、黑索今(RDX)为含能基体,热塑性弹性体?甲基丙烯酸甲酯(MMA)为粘结剂,通过溶剂法挤压成型工艺,利用超临界二氧化碳(SC?CO_2)发泡技术制备了微孔NC/TEGN/RDX复合材料,通过扫描电子显微镜和简支梁冲击仪分别研究了该复合材料的泡孔形貌和力学性能。结果表明,提高饱和压力有利于减小泡孔尺寸提高泡孔密度;随着发泡温度的增加,泡孔尺寸逐渐增大,泡孔密度呈现出先增大后减小的趋势;热塑性弹性体的含量由5%提高到15%时,冲击强度可提高37.74%;饱和压力为10～25 MPa时,微孔NC/TEGN/RDX复合材料的冲击强度由3.21 kJ·m^(-2)提高到4.31 kJ·m^(-2),但是随着发泡温度的增加,冲击强度却逐渐下降;泡孔尺寸、泡孔密度皆是影响微孔NC/TEGN/RDX复合材料力学性能的重要因素,致密均匀的泡孔结构可有效改善力学性能。

发泡工艺对PLA/PBAT复合材料发泡结构的影响

聚乳酸(PLA)是可生物降解高分子材料,具有良好的物理性能和耐热性,是目前最有可能替代传统石油基聚合物的生物降解材料,其物理发泡材料在降解、缓冲、隔音、隔热等方面均具有巨大的应用潜力。传统PLA发泡塑料存在原料结晶速率慢、熔体强度较低等问题,因此,制备具有良好泡孔结构的发泡材料对于PLA的推广应用具有重要意义。文章采用超临界CO_(2)发泡技术,对PLA与聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(PBAT)共混材料进行发泡,通过发泡温度、发泡压力和发泡时间等工艺参数对共混体系的泡孔形态进行调控。研究发现,当发泡温度为114℃、发泡压力为15 MPa的条件下,发泡30 min后得到的泡孔尺寸较大、泡孔均匀稳定、发泡密度较大的发泡珠粒。