新型热固性塑料高压发泡工艺竟能玩转美食制作

那不勒斯费德里科二世大学的科学家们在一种特殊的热固性聚合物——披萨面团上对一种新的发泡方法进行了测试。披萨面团是一种极其复杂的粘弹性异质聚合物混合物，它因生化发泡剂酵母的存在能在数小时内产生气泡。面团在数十秒内就能在300-400°C的烤箱中固化。通过与更快的聚氨酯发泡进行比较，他们对同时发泡和烘烤以减少总体时间的可能性进行了探索。

标题图：在一种特殊的热固性聚合物——披萨面团上对一种新的发泡方法进行了测试 © Francesco Paolo Desiderio, Materias, S.r.l.

热固性聚合物的发泡是一个有意思的技术挑战，其典型的解决方案是将固化反应与发泡反应（即产生气态产物的反应）相结合。发泡反应产生的气体在固化物中形成紧密的气泡。如果两个反应同步性好，气泡就会被封在固体物质中，形成细孔的低密度泡沫。热固性聚合物发泡的主要代表是聚氨酯，一类由多元醇和异氰酸酯合成的材料。在该例中，水在配方中作为化学发泡剂存在，用于产生反应产物二氧化碳。

聚氨酯泡沫的制造

     
聚氨酯合成（和发泡）是一个较快的过程，固体泡沫在反应物混合后数十秒内即可形成。为两个反应选择合适的催化剂（所谓的催化包）有助于保证时间，更重要的是确保同步。

聚氨酯泡沫隔热性能优异并且能够在固化和发泡过程中流动填充模具细部，因此在制冷市场占据主导地位。其密度低至30kg/m3，泡孔（以及孔隙、气泡）特征尺寸为100µm，热导率低至18W/mK。

图1：标准PU与高压PU的比较 © Di Maio、Di Lorenzo，那不勒斯费德里科二世大学

追求更好性能的竞争推动了这些数字的发展，而实现这一目标的方法之一是减小泡孔尺寸，正如对纳米多孔热塑性泡沫的观察发现，其泡孔的纳米尺寸抑制了辐射对电导率的影响。热塑性泡沫通常通过气体发泡来获得，其中发泡剂在高压条件下溶解在聚合物中，然后在快速压力骤冷后（一秒之内）产生气泡（图1）。人们普遍认为快速压力骤冷是获得高性能细孔泡沫的关键。

通过气体发泡提高隔热性能

热塑性塑料和热固性塑料的比较研究是获得聚氨酯发泡最新进展的关键，其中（高压——快速压力骤冷）气体发泡已被用于减小泡孔尺寸以获得更高的隔热性能。主要的科学问题包括：

（1）发泡剂（本例中为二氧化碳）在压力下是否能在多元醇和/或异氰酸酯中充分溶解？
（2）溶解的气体是否明显改变了固化反应？
（3）将近一个世纪以来专为“温和”发泡（持续数十秒）而设计的聚合物系统（聚氨酯）改为突然“爆发”式发泡（零点几秒，快了2至3个数量级）的工艺是否可行？
（4）压力骤冷是否会形成更细形态的泡沫？

这些问题的答案已在一个为期六年的项目中给出，项目参与者包括那不勒斯费德里科二世大学的两名博士、一家大型石化公司（Dow Italia S.r.l.）和一家聚氨酯设备制造商（Cannon S.p.a.）。

如一系列论文所示，该团队对二氧化碳在多元醇和异氰酸酯中的良好吸附性能（溶解度和相互扩散性）进行了测量，并且对二氧化碳因并发稀释以及催化位点屏蔽效应对聚氨酯合成造成的主要影响进行了报告。根据这些数据，该团队设计了一种基于两个关键发泡阶段（成核和生长）分离的新工艺。

两个关键发泡阶段的分离

压力骤冷传统上是从饱和压力到环境压力进行的，气泡成核并生长，直至结构最终通过固化而定形。在新工艺中，该团队设想了一种能够两次释放的发泡设备：一次从吸附压力到中间压力（例如：5bar）的快速释放，然后是一次到环境压力的缓慢释放。通过这种方式，第一次压力骤冷（不到一秒）使大量气泡成核，这些气泡直到第二次压力降低（数十秒）才变大，甚至可以缓慢地随着固化反应变化。大成核阶段和之后的温和发泡工序产生了低密度微孔聚氨酯泡沫。“通过压力推动固化反应”是对问题（3）的回答。新方法的意义之一是用物理发泡剂替代了化学发泡剂。

图2：披萨面团是一种非常复杂的粘弹性异质聚合物混合物，它在数十秒内就能在300-400°C的烤箱中硬化，并且以酵母为生化发泡剂进行膨胀 © Francesco Paolo Desiderio, Materias S.r.l.

披萨面团案例

该团队认为这种新的发泡方法很常规，原则上适用于所有热固性材料。事实上，他们在一种特殊的热固性聚合物——披萨面团上对该方法进行了测试。这是一种非常复杂的粘弹性异质聚合物混合物，它以酵母为生化发泡剂，数十秒内就能在300-400°C的烤箱中固化（图2）。与聚氨酯不同，其发酵与蒸煮（或硬化）不同时进行，并且是一个较长（数小时）的持续过程，对小餐馆和大公司规模的生产和物流都具有严重的影响。此外，全球对酵母不耐受的现象正在加剧。因此，对于那不勒斯人来说，在披萨上测试其双压力释放阶段是很自然的事，其目的是去除酵母和发酵阶段。但是，如何实现发泡剂的吸附呢？在本例中，流变测定法被证明是有用的。事实上，实验人员在模拟烹饪的流变实验中测量了粘弹模量的积累并观察到弹性模量G'和粘性模量G''在前20s内没有增加；之后，它们逐渐增加，最终在烹饪结束后约1分钟内达到稳定值终值（图3）。他们对加工过程做出了相应的设计：

图3：披萨试验的测量结果 © Di Lorenzo，Iaccarino，那不勒斯费德里科二世大学

◆ 将面团揉成最终的（披萨）形状；
◆ 将其放入热高压釜中；
◆ 用发泡剂（即空气、二氧化碳、氦气）对高压釜加压并保持20s；
◆ 将压力释放到环境中。最终，如果压力程序严格遵循固化反应，则可以从高压釜中取出发泡良好且煮熟的披萨。

图4：首次使用实验室设备对直径为1cm的小面团进行的测试取得了成功，面团在137°C的温度以及压力高达6bar的条件下在4分钟内煮熟并发泡 © Francesco Paolo Desiderio, Materias S.r.l.

图5：专门设计的高压釜用于测试直径为25cm的全尺寸披萨 © Francesco Paolo Desiderio, Materias, S.r.l.

它起作用了！首次使用实验室设备对直径为1cm的小面团进行的测试取得了成功，面团在137°C的温度以及压力高达6bar的条件下在4分钟内煮熟并发泡（图4）。研究人员咬了一下披萨，再加上密度和形态评估，都在鼓励团队继续扩大规模。目前，该实验室测试了直径为25cm的全尺寸披萨（图5），并且在Materias S.r.l.公司（也是专利号WO 2023/037181 A1“生产膨化烘焙食品的工艺”的所有者）的支持下购买使用了专门设计的高压釜。正如预期的那样，随着学生对该实验的泡沫产生了兴趣，实验室人数急剧增加。

本文翻译自Plastics Insights杂志
作者：Emilia Di Lorenzo，Pietro Renato Avallone，Paolo Iaccarino，Rossana Pasquino，Nino Grizzuti，Ernesto Di Maio

来源：荣格-《国际塑料商情》

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