米乐m6官方网站[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）功能材料计算设计研究中心[研究中心主任浅井义弘]多层软材料分析方法开发组森田浩研究组组长，化学过程研究部[研究部主任古谷武]分层结构材料工艺组研究组组长Satoshi Yoda，功能化学研究部[研究部主任 Dai Kitamoto] Hiroyuki Niino，首席研究员，纳米材料研究部[研究部部长佐佐木武]电子显微镜组高级首席研究员Noboru Horiuchi及其同事在新能源和产业技术开发组织（以下简称“NEDO”）与先进材料快速开发技术研究协会[主席Kunihiro Koshizuka]（以下简称“ADMAT”）合作的一个项目中开发了一种使塑料（聚合物）泡沫精细且均匀的方法。
这次是通过计算机模拟，常规成核剂中那样充当发泡的起点。此外，通过使用加工技术和测量技术，我们证明可以使用抗成核剂制造出均匀分散细小气泡的泡沫塑料。有望为高性能保温材料、轻质高强材料等新材料的开发做出贡献，并大幅缩短新材料的研发周期。
该技术的详细信息将于 2018 年 11 月 26 日至 27 日在滨松市举行的成型加工研讨会'18 上公布。
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| 新证实的“抗成核剂”对聚合物发泡的影响 |
聚合物泡沫（泡沫聚合物）广泛应用于绝缘、缓冲、隔音和轻质结构材料等领域。在典型的发泡聚合物中，当发泡气体如二氧化碳在高压下溶解在聚合物中，然后压力突然降低时，不再溶解的气体在聚合物中形成气泡。它的属性是作废率，这很大程度上取决于气泡直径。市售的发泡聚合物的泡孔直径通常为数十μm至数百μm，但近年来，泡孔为1μm以下的发泡聚合物（纳米气泡）引起了人们的关注。纳米蜂窝具有高孔隙率和均匀的泡孔尺寸，理论上预计具有优异的隔热性能和透光性，并且将其开发为窗户隔热材料存在全球竞争。然而，同时实现高孔隙率和细小、均匀的泡孔直径是很困难的，并且还没有获得实用的材料。
为了使发泡更细，已知添加碳酸钙或二氧化硅等微粒作为成核剂。成核剂充当气体形成气泡的起点，使其更容易形成直径均匀的细小气泡。然而，成核剂很少从理论角度进行研究，而是基于成本限制，基于工程师的直觉和经验来选择。
AIST 正在开发一种透光隔热材料及其制造工艺，以促进房屋和其他领域的节能 (2017 年 9 月 4 日 AIST 主要研究成果)和含有纳米颗粒的聚合物混合材料结构模拟技术的发展(2010 年 12 月 3 日 AIST 主要研究成果) AIST和ADMAT正在NEDO委托项目“超先进材料的超高速开发基础技术项目”（2016-2021财年）下，致力于通过计算技术、工艺技术和测量技术三位一体加速聚合物材料的研发，以及功能性泡沫聚合物制造工艺的开发。这次，我们将模拟纳入成核剂的设计中，并使用X射线计算机断层扫描（X射线CT）和电子显微镜等测量方法进行结构评估，以开发用于绝缘材料的纳米多孔材料。
为了实现具有高孔隙率和均匀泡沫结构的纳米孔，我们认为有必要使用小于气泡尺寸的纳米粒子作为成核剂，并设计更有效的成核剂，因此我们重点研究聚合物和成核剂之间的化学相互作用。建立分散有纳米粒子的聚合物模型粗粒度分子动力学方法模拟聚合物的膨胀率（发泡率）和成核剂与聚合物之间的相互作用势系数（ε）被用作影响结构的参数。 ε值越大，吸引力越强，亲和力越高。另外，模拟的是OCTA完成的图 1 显示了模拟示例。
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| 图1含纳米粒子的聚合物发泡模拟结果 |
模拟表明，当聚合物和成核剂之间的亲和力较高并且聚合物的发泡速度较高时，发泡是从聚合物内部而不是从所添加的纳米粒子的表面发生的，形成均匀且细小的泡沫结构。这一结果与常规成核剂的常识和功能完全不同。
我们尝试使用实际的泡沫聚合物系统来确认该模拟结果。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是用分散的各种无机纳米粒子和二氧化碳(CO2)作为发泡气体制备发泡聚合物。图 2 显示了钯 (Pd) 作为无机纳米颗粒的示例，以及二氧化硅 (SiO2)纳米颗粒的PMMA泡沫结构的结果。
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| 图2 Pd纳米颗粒和SiO2含有纳米粒子的PMMA泡沫结构（左）X射线CT图像，（右）SEM图像 |
含有 Pd 纳米颗粒的 PMMA 泡沫发泡比例尺寸不是很大，几乎没有粗大的气泡或大于1μm的气泡，700nm左右的气泡在各处分布极其均匀。此外，通过优化测量条件并以1μm以下的分辨率进行观察，我们确认Pd纳米颗粒的分布是均匀的。另一方面，现有的成核剂SiO2含有纳米颗粒的体系含有约200 nm的细气泡，但也含有10 µm或更大的粗气泡。
图3显示了含有Pd纳米颗粒的PMMA泡沫的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。二氧化硅2在含有纳米颗粒的PMMA泡沫中，观察到许多颗粒与气泡接触或包含在气泡中的结构，这表明颗粒是发泡的根源。另一方面，在含有Pd纳米颗粒的PMMA泡沫中，观察到的大多数纳米颗粒嵌入聚合物内部，并且在颗粒表面没有观察到气泡或空隙。这表明泡沫是由聚合物内部产生的，而不是由纳米颗粒产生的。当聚合物和颗粒之间的亲和力较高时，该结果与模拟结果定性地一致。
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| 图3 含有Pd纳米颗粒的PMMA泡沫的HRTEM图像 |
另外，PMMA单体和Pd表面，SiO2根据表面润湿性测量和分子动力学模拟，Pd 是 SiO2相比，它与 PMMA 具有更高的亲和力本研究中使用的纳米粒子（如钯纳米粒子）与聚合物具有高亲和力，不像传统成核剂那样充当发泡的起点，而是充当“抗成核剂”，有效抑制聚合物产生的气泡的生长和聚结。抗成核剂可有效控制泡孔尺寸分布（气泡尺寸的均匀程度）和分散性（气泡在发泡聚合物内分布的均匀程度），并有望用作制造需要均匀分散 100 nm 或更小的微小气泡的高性能、透光隔热材料的方法。
未来，我们将进一步推进对含有各种纳米粒子的聚合物的发泡以及纳米粒子与聚合物之间的相互作用的模拟，并使用实际的发泡聚合物来演示模拟结果。通过此，我们将制定“抗成核剂”和成核剂的设计指南，并将致力于开发能够以更低的成本生产精细、均匀泡沫的技术。我们还将致力于开发通过将使用计算科学的材料设计、使用工艺技术的样品制备以及使用测量技术的评估尽可能高地结合起来来缩短开发周期的方法。通过这些努力，我们的目标是开发兼具透光性和高隔热性能的材料。