各種水果的果皮都具有良好的緩沖作用，柚子也不例外。柚子致密的外皮具有梯度泡孔結(jié)構(gòu)，泡孔尺寸從外層到內(nèi)層逐漸增大。這種結(jié)構(gòu)在墜落的沖擊下會(huì)逐漸坍塌，從而保護(hù)果肉免受損傷。
受到這一現(xiàn)象的啟發(fā)，江南大學(xué)的研究人員一直在研究一種制備梯度聚氨酯泡沫材料的方法。他們采用壓力輔助一步化學(xué)發(fā)泡技術(shù)，成功制備出泡孔尺寸沿軸向逐漸增大的一體化泡沫，他們將其描述為類似于柚子。
聚氨酯泡沫是一種微孔發(fā)泡材料，均勻細(xì)膩的泡孔結(jié)構(gòu)賦予了其強(qiáng)度高、韌性好、應(yīng)力傳遞平穩(wěn)等特質(zhì)，因而被廣泛應(yīng)用于制鞋、緩沖、防爆材料方面。聚氨酯泡沫可通過(guò)基體以及泡孔結(jié)構(gòu)的可復(fù)性變形耗散能量，尤其在減震方面。大量研究表明，泡沫的機(jī)械性能與其相對(duì)密度和泡孔形態(tài)密切相關(guān)。而均質(zhì)泡沫通體特性扁平化，要提高能量吸收性能往往意味著泡沫密度隨之增加、材料成本上升。因此具有泡孔分級(jí)結(jié)構(gòu)的梯度泡沫逐漸成為研究重點(diǎn)。
梯度泡沫材料現(xiàn)有的制備方法
梯度泡沫材料，是成分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型多孔復(fù)合材料，可以通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)滿足其整體功能和性能的設(shè)計(jì)性要求。聚合物梯度泡沫材料現(xiàn)有的制備方法有：
(1) 粘合法將不同性質(zhì)的單層材料粘接在一起構(gòu)建梯度泡沫，上述方法簡(jiǎn)單，但存在無(wú)法忽視的界面問(wèn)題，不屬于一體化制備，且由于存在密度突變的粘合層，應(yīng)力難以跨越強(qiáng)界面繼續(xù)傳遞，導(dǎo)致應(yīng)力首先在界面內(nèi)聚并在該處產(chǎn)生橫向剪切撕裂作用導(dǎo)致壓潰失效。
(2) 超臨界發(fā)泡法需要在高溫高壓的條件下完成對(duì)熱塑性材料的氣體飽和吸附，而后經(jīng)兩段吸附或兩段泄壓過(guò)程形成梯度泡孔，該方法能耗高且對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格。
(3) 3D打印法通過(guò)沿預(yù)定路徑打印熔融線材來(lái)制備梯度泡沫，該方法路徑控制比較復(fù)雜、且泡孔可變性不高、受打印速度限制產(chǎn)能不高。
(4) 冷凍法采用定向冷凍法制備梯度氣凝膠材料，該方法需要冷熱處理，能耗高、產(chǎn)能低。
(5) 熔融共擠出法通過(guò)基料與不同比例的成核劑共混擠出片材后，將片材熔融疊合，因成核劑有利于泡孔形成，所以泡孔分布與成核劑濃度正相關(guān)，利用這一特性經(jīng)發(fā)泡后獲得梯度多孔材料，該方法工藝繁瑣且能耗較高。
(6) 微波法與熔融共擠出類似，利用含有不同濃度微波吸收劑的基材片熔融疊合，再經(jīng)預(yù)發(fā)泡與微波二次發(fā)泡后獲得梯度泡沫材料，因微波吸收劑濃度差異可以形成梯度溫度場(chǎng)，對(duì)發(fā)泡程度產(chǎn)生影響，形成梯度泡沫；該方法工藝更加繁瑣、所需設(shè)備條件更加嚴(yán)格且能耗高。
以上方法雖然都可以構(gòu)建梯度泡沫材料，但都存在一些限制，導(dǎo)致梯度泡沫材料發(fā)展的不足。
利用壓力輔助發(fā)泡技術(shù)一步法化學(xué)發(fā)泡制備一體化梯度泡沫
為解決上述問(wèn)題，江南大學(xué)的研究人員發(fā)明了利用壓力輔助發(fā)泡技術(shù)一步法化學(xué)發(fā)泡制備一體化梯度泡沫。該發(fā)明采用的技術(shù)方法簡(jiǎn)單易復(fù)現(xiàn)，可以達(dá)到降低能耗、減少成本或提升效率等目的。制備得到的梯度泡沫材料實(shí)現(xiàn)了密度與泡孔尺寸的連續(xù)過(guò)渡，避免了界面問(wèn)題造成的內(nèi)部破壞。
該發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵在于，外部施加的壓力對(duì)泡孔的膨脹起到了一定的制約作用，從而促使泡孔結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。
在加工的關(guān)鍵窗口期內(nèi)，分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尚未完全固化，此時(shí)粘度的增加賦予了泡孔壁一定的強(qiáng)度，盡管這種強(qiáng)度尚處于較為脆弱且易于變形的狀態(tài)，施加于基體的外部載荷促使泡孔內(nèi)的氣體從內(nèi)向外抵抗外部壓力所引起的變形和收縮，直至達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。這一平衡狀態(tài)的結(jié)果是泡孔發(fā)生彎曲變形，進(jìn)而形成扁圓形的結(jié)構(gòu)。此外，由于應(yīng)力傳遞的連續(xù)性，泡孔的彎曲變形程度從外向內(nèi)逐漸減小，形成了一種自然的梯度結(jié)構(gòu)。隨著應(yīng)力傳導(dǎo)的增強(qiáng)，在相同壓力作用時(shí)間下，質(zhì)密區(qū)的厚度會(huì)逐漸累積增加。
一體化梯度泡沫的性能表現(xiàn)
在這種一體化梯度泡沫中，出現(xiàn)了連續(xù)增大的泡孔尺寸分布。在質(zhì)密區(qū)中，泡孔呈現(xiàn)橢圓形，尺寸較小，密度較高；而在常規(guī)區(qū)，泡孔則接近圓形，尺寸較大，密度較低。這兩種截然不同的形態(tài)特征賦予了彈性體獨(dú)特的物理性能。在質(zhì)密區(qū)，由于泡孔壁較厚，壓縮過(guò)程中主要通過(guò)彎曲變形來(lái)耗散能量；而在常規(guī)區(qū)，泡孔壁較薄，往往伴隨著撕裂來(lái)耗散能量。這種更厚的質(zhì)密區(qū)設(shè)計(jì)有效減少了沖擊過(guò)程中基體的撕裂風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，常規(guī)區(qū)的存在顯著提高了材料的整體比能量吸收能力。
他們通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和低速?zèng)_擊試驗(yàn)分析了泡沫，以檢驗(yàn)發(fā)泡技術(shù)對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的影響及其機(jī)械性能的改變。結(jié)果表明，增加發(fā)泡時(shí)間可以減小泡孔尺寸，同時(shí)提高密度，從而增強(qiáng)壓縮過(guò)程中的應(yīng)力傳遞和能量耗散。
與傳統(tǒng)的梯度粘合泡沫相比，這種泡沫避免了界面突變，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定且較高的能量吸收。他們表示，一體化梯度泡沫的泡孔尺寸梯度范圍從10微米到近27微米。其比能量吸收率較均質(zhì)泡沫高出八倍以上。
研究人員表示，所有梯度泡沫在動(dòng)態(tài)載荷下均表現(xiàn)更佳，在更高的應(yīng)變率下，抗壓強(qiáng)度和能量吸收率顯著提升。他們相信一體化梯度泡沫在防護(hù)和緩沖應(yīng)用方面都具有潛力。
