基于HDPE同源增强与MWCNTs"破窗"效应协同提升UHMWPE泡沫的双相分离与隔热性能研究

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：A novel synergistic enhancement for UHMWPE foam via HDPE homologous reinforcement and MWCNTs-induced “window-broken” effect for advanced biphasic separation and heating insulation

为解决海上溢油污染和工业热能损失问题，山东大学王桂龙团队创新性地提出通过HDPE同源增强与MWCNTs"破窗"效应协同优化UHMWPE发泡性能的策略。采用scCO2微孔发泡技术成功制备出高孔隙率开孔泡沫，其膨胀比达44.8（提升307.3%），导热系数低至32.8 mW/m·K，对四氯化碳吸附容量达50.2 g/g，在环境修复和节能领域展现巨大应用潜力。

　　

随着全球工业化进程加速，海上石油泄漏和工业含油废水排放导致的生态环境污染日益严重，同时建筑、交通等领域因热能损失造成的能源浪费超过全球总能耗的10%。开发兼具高效油水分离和优异隔热性能的多功能材料已成为研究热点。多孔聚合物泡沫因其轻质、高比表面积等特点被视为理想解决方案，其中超高分子量聚乙烯（UHMWPE）以其疏水性、化学惰性和机械强度成为首选基体。然而UHMWPE超长分子链导致的高熔体粘度极大限制了其发泡性能，传统方法制备的泡沫存在孔隙率不足或开孔率低等问题。

山东大学研究团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表的研究中，创新性地提出通过高密度聚乙烯（HDPE）同源增强与多壁碳纳米管（MWCNTs）"破窗"效应的协同策略，成功突破UHMWPE发泡技术瓶颈。该研究采用三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十三氟-N-辛基硅烷（PFOTS）对MWCNTs进行表面功能化，通过熔融共混和超临界二氧化碳（scCO₂）微孔发泡技术制备系列复合材料泡沫。关键技术包括：PFOTS修饰MWCNTs的表面改性技术、60:40质量比的UHMWPE/HDPE基体优化配方、10-20 MPa饱和压力下的梯度发泡工艺。研究团队系统表征了材料相结构、熔融结晶行为、流变特性，并评估了泡沫的油水分离性能和隔热性能。

相结构分析表明，PFOTS成功将硅、氟元素引入MWCNTs表面，UD0.5C（含0.5 wt% MWCNTs）中纳米管分散均匀，而UD5C（5 wt%）出现明显团聚。傅里叶变换红外光谱在1587 cm^-1（C=C键）和1119 cm^-1（Si-O-Si键）等处出现新特征峰，证实MWCNTs成功改性。黑度值从38.2（UD0C）升至138.3（UD5C），间接证明纳米管良好分散。

熔融与结晶行为研究显示，MWCNTs使熔融温度范围从18.7°C（UD0C）拓宽至23.0°C（UD0.5C），结晶温度从112.1°C提升至113.6°C。非等温结晶速率常数（Z_c）先增后降，半结晶时间（t_0.5）先降后升，表明适量MWCNTs通过异相成核作用促进结晶。

发泡行为方面，流变测试发现MWCNTs使储能模量（G）和复数粘度（η*）提升，损失因子（tanδ）始终小于1，证明材料保持固态弹性。在15 MPa饱和压力下，UD0.5C泡沫获得44.8的膨胀比和26.0°C的发泡窗口，较纯UHMWPE分别提升307.3%和2500%。扫描电镜显示细胞密度从3.9×10⁷cells/cm³（UD0C）增至3.1×10⁸cells/cm³（UD1C），细胞尺寸分布更均匀。

油吸附与疏水性测试中，UD0.5C开孔泡沫的水接触角达148.6°，对四氯化碳、环己烷和汽油的饱和吸附容量分别为50.2 g/g、35.5 g/g和31.4 g/g。循环15次后仍保持87%以上吸附容量，优于多数文献报道材料。油水混合实验表明该泡沫能高效分离不同密度油相。

隔热性能评估发现，UD0.5C泡沫导热系数仅32.8 mW/m·K。热传导模型分析表明，高膨胀比显著降低固相导热系数（K_s），MWCNTs的三维网络通过吸收-散射效应有效抑制辐射传热（K_r）。红外热成像显示在100°C加热台上持续10分钟后，泡沫表面温度仅53.4°C。

该研究通过HDPE与MWCNTs的协同作用，成功制备出具有创纪录膨胀比的双功能UHMWPE泡沫。PFOTS修饰不仅改善MWCNTs分散性，还赋予材料超疏水特性；开孔结构结合纳米管网络同时优化了油水分离效率和隔热性能。这项工作为开发用于环境修复和节能领域的高性能聚合物泡沫提供了新范式，在海上溢油回收、工业废水处理及建筑节能等方面具有广阔应用前景。