[科普中国]-微孔结构

由于微孔构料是到处布满着许多彼此相通和不相通的微孔，因而对于微孔结构(泡沫结构)可用两个基本参数来说明。其一，容重，它可用构成泡沫基质构料的相对密度，孔中气体密度及比率来确定。其二，微孔特性，它包括孔的尺寸、形状、开孔或闭孔、或两者均有的特点。

相变机理的微孔结构相变机理微孔膜基于高分子溶液的相分离原理：在一定热力学条件下，聚合物能够溶解于溶剂中成为高分子溶液；而在其他条件下，溶剂的溶解力变差、高分子溶液会发生相分离成为富聚合物相和富溶剂相；当富聚合物相固化后，脱除溶剂就得到了多孔结构。高分子溶液发生相分离的原因既可能是溶液组分发生变化，亦可能是温度的改变所致。前者被称为溶致相分离，干法、水蒸气诱导相分离法和浸入凝胶法(湿法)都属于这一类型；而后者被称为热致相分离。富聚合物相的固化方式可能会以不同的机理进行，如结晶、凝胶化或玻璃化等，它会因成膜体系的差异丽有所不同。

多孔膜的微孔结构可以根据微孔局部的几何性质和相变动力学过程分类。典型的动力学过程有：富溶剂相成核、生长或核间聚结，富聚合物相成核生长和旋节线分相。每一种类型的相变动力学都会导致相应特征的微孔结构，所以，从微孔结构的细致特征即可判断膜制作过程所发生的相变机制。

下图是典型的富聚合物相或富溶剂相成核、生长所获得的多孔结构。富聚合物相的成核、生长过程导致球粒状结构，这些球粒状结构正是富含聚合物的新相核生长、固化的结果(图a)。可以设想，富溶剂相的成核、生长也同样会形成球粒状的富含溶剂的液滴；如果这些液滴接触前富聚合物相已经固化，那么就得到胞腔状的微孔结构如图b所示；如果富聚合物相尚未固化，这些新相液滴会进一步聚结以减小两相的界面自由能，聚结的程度完全由富聚合物相的固化速度决定。

旋节线分相的初期就产生了数目众多的富聚合物相和富溶剂相的新相核；这些新相核一出现就相互接触、并相互聚结；聚结的富聚合物相会进一步演化以减小两相界面的表面积，最后的结果是形成了枝条状结构。与其他几种类型的孔结构相比，枝条状结构的微孔膜具有最小的弯曲因子和最大的孔道连通性。1

影响微孔结构的因素1、配方

1)发泡基体的性质

2)重要的添加剂

3)发泡剂

2、成型加工工艺因素

1)温度

2)压力

3)时间

4)冷却速率

3、设备。微孔塑料成型设备和模具应具有下列基本要求：

1)准确定量

2)温度控制

3)多级压力控制

4)密封气体2

淀粉颗粒的层状结构和微孔结构用光学显微镜观察淀粉颗粒，大多情况下可以看到层状结构，在它的中心有脐点。淀粉颗粒是以脐点为中心由球晶按一定规则排列成放射状而构成。而层状结构是由于淀粉颗粒内部折射率差异，或是由于淀粉颗粒中淀粉分子的装填方法、装填密度差异而产生的。

Tamaki等用糖化酶在常温下处理马铃薯淀粉颗粒，然后用扫描电镜观察发现：淀粉颗粒表面出现弹壳状残余，就像花蕾绽放式的膨胀。张本山博士通过三氯氧磷对木薯淀粉进行交联也发现类似的淀粉颗粒膨胀历程。Andrew A. Baker利用接触式原子力显微镜( AFM)观察到淀粉颗粒内部的纳米结构，发现玉米淀粉颗粒内部接近脐点的位置具有400~500nm的生长环，且发现在制样过程中由于切割刀的作用将淀粉颗粒脐点处拔出90nm的深坑。Les-lawJuszczak等用非接触式AFM系统地研究了各类淀粉颗粒表面的拓扑形貌，发现玉米淀粉和木薯淀粉的颗粒表面比马铃薯淀粉颗粒表面平滑，后者的颗粒表面有高达1μm的突起。郭云昌利用AFM观察到淀粉颗粒中存在纳米级微粒，粒径在10~20nm左右，但以10nm为主，这种纳米级颗粒可能是构成淀粉颗粒结晶的基本单元。此外，还有很多淀粉颗粒原子力显微镜的研究报道，其研究结果基本一致。

关于原淀粉颗粒表面的微孔结构，最早研究发现位于淀粉颗粒脐点有中空的中心空腔存在。随后的研究认为，普通玉米淀粉、高粱淀粉及蜡质玉米淀粉颗粒均有微孔存在，而大麦、燕麦、稻米及小麦则没有微孔，并认为淀粉表面的微孔是酶进人颗粒内部的通道，淀粉酶能够水解某些定粉的脐点并使该处的空腔逐渐扩大。Fennon 等认为，只有当淀粉颗粒的微孔及空腔足够大时才能在扫描电镜及透射电镜下被观察到。近年来Huber和Bemiller将玉米淀粉和高梁淀粉用汞溴红处理后，以共焦扫描激光显微镜观察淀粉颗粒发现淀粉颗粒表面存在着从表面深人到脐点的微孔，同时这种微孔有一定的规律性。他们由此提出淀粉颗粒的结构示意图，在淀粉颗粒的中心(A区)有不同星形形状的空洞；在B区淀粉颗粒边缘有线形的空洞，直到颗粒的中心；而C区分别是遍布颗粒表面的孔点交错通道的或通向中心的微孔。

微孔结构的人造革制造微孔聚氨酯人造革的方法已知有很多。用这些方法生产人造革的要点如下：用收湿性溶剂制备聚合物溶液，制备颜料溶液，将上述溶液混合并制备工作溶液， 在底布上涂敷聚合物溶液；将涂层放置在相对湿度高的空气中或在水中直接进行处理或在收湿性溶剂的水瘩液中进行处理以形成微孔结构；用水先法从微孔涂层中除去收湿性瘩剂的残余，然后进行材料的干燥、整饰和轧纹。3

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学