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  聚合物局部發泡技術是一種在聚合物基體特定區域形成局部多孔結構的加工方法，可在同一聚合物基體內實現多孔與無孔結構的共存。由于發泡前后聚合物的熱、機械和光學性能均發生顯著改變，因此基于局部發泡的聚合物多孔/無孔復合結構有望實現新型智能材料、超材料和生物支架材料的研制，應用于生物醫學、航空航天、新能源等領域。

  激光加工非常有望實現聚合物的高精度局部發泡。目前，已開發的激光局部發泡技術主要依賴于高強度激光的非線性光學效應，其在激光作用區域誘導聚合物分子發生多光子吸收而電離，在聚合物表面形成等離子體蒸汽和局部沸騰區域，等離子體蒸汽進入沸騰區域后快速冷卻，從而形成多孔結構。然而，由于發泡過程較為激烈，且多光子吸收會誘發高分子鏈的裂解與碳化，使高分子鏈斷裂為小分子，導致聚合物整體的機械強度大幅降低。因此，開發一種過程溫和，且能有效抑制高分子鏈裂解與碳化的聚合物局部發泡技術，對聚合物復合結構的應用具有重要意義。

  在近期的研究中，華南理工大學雷勁騁副教授團隊提出一種基于超快激光光熱轉換的新型聚合物局部溫和發泡策略，通過增強超快激光的光熱轉換效率，利用低強度超快激光實現聚乳酸（PLA）的微尺度溫和發泡，在發泡過程中有效抑制PLA的裂解與碳化，并實現PLA多孔/無孔微復合結構的研制。研究人員首先在PLA基材中引入多層石墨烯（Gr）和偶氮二甲酰胺（AC），分別作為光熱轉換劑和發泡劑（圖1a），并通過溶劑蒸發和熱壓成型工藝，制備出平整致密的PLA/Gr/AC復合薄膜。然后，利用低強度的超快激光直接作用于復合薄膜，在激光作用區域實現PLA/Gr/AC薄膜的局部泡沫化。最后，根據應用需求設計激光掃描路徑，通過激光直寫實現圖案化多孔結構區域。超快激光誘導的溫和局部發泡過程包括四個典型階段：光熱轉換、熱擴散、熔化發泡和凝固（圖1b）。與純PLA基材相比，PLA/Gr/AC復合材料的紅外光吸收率和導熱率均顯著提高（圖1d,e），可在超短脈沖內大幅增強激光與聚合物基體相互作用時的光熱轉換效率，實現利用超快激光誘導材料產生熱效應。同時，通過差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析法（TG）可知，發泡劑AC的分解完成溫度比PLA的開始分解溫度低，證明發泡過程可在PLA分解前充分進行，可實現無裂解無碳化的溫和發泡過程，其溫和發泡溫度窗口為237.7-381.6°C（圖1f-h）。

圖1. PLA/Gr/AC局部溫和發泡策略示意圖及其溫和發泡性能表征。

圖2.超快激光發泡PLA/Gr/AC復合材料的顯微結構圖像。

  為證明超快激光誘導的發泡過程為溫和過程，研究人員利用X射線光電子能譜（XPS）表征發泡前后PLA/Gr/AC基體中PLA高分子鏈的元素組成并進行對比（圖3a）。結果發現，在發泡過程中，PLA高分子鏈主要發生了氧化反應，而非碳化反應。研究人員利用高分辨XPS對C(1s)峰進行了分析。如圖3a-e所示，發泡后C-O和O=C-O基團的相對含量顯著增加，表明在發泡過程中PLA鏈上官能團間的氧化反應占據主導，而C-C/C-H基團的相對含量減少，表明PLA鏈的裂解與碳化受到了有效抑制，因為這些過程都會形成新的C-C/C-H鍵。

圖3. 超快激光發泡區域的材料成分表征。

圖4. 超快激光誘導PLA/Gr/AC局部溫和發泡在聚合物微打標/表面紋理化處理、聚合物延展性調控和材料形狀記憶編程方面的應用。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410304