（机械设计及理论专业论文）psco2及其复合发泡体系的微孔发泡工艺研究.pdf

学位论文数据集 i h i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i l u l l l l l l l l l l l l l j 2 13 9 0 8 0 中图分类号 t q 3 2 学科分类号 4 6 0 2 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 7 2 6密级 公开 学位授予单位名 学位授予单位代码 1 0 0 1 0北京化工大学 称 作者姓名孙娇 学号 2 0 0 9 0 0 0 7 2 6 获学位专业名称 机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 国家科技支撑计划项 课题来源 研究方向 聚合物加工 目 论文题目p s c 0 2 及其复合发泡体系的微孔发泡工艺研究 关键词聚苯乙烯，二氧化碳，d o e ，吸附，水，乙醇 论文答辩日期 2 0 1 2 0 5 2 6 半论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师 何亚东研究员北京化工大学 聚合物加工 评阅人1李庆春研究员北京化工大学聚合物加工 评阅人2 信春玲副研究员 北京化工大学高分子材料 中国石化总公司 答辩委员会主席赵月云高级工程师 聚合物加工 北京化工研究院 答辩委员1 吴大鸣研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员2 薛平 研究员 北京化工大学 聚合物加工 答辩委员3 何继敏副研究员 北京化工大学 聚合物加工 答辩委员4 金志明副研究员 北京化工大学 聚合物加工 答辩委员5 刘颖副研究员北京化工大学 聚合物复合材料 答辩委员6 任冬云副研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员7 闫宝瑞高级工程师北京化工大学 机电控制 答辩委员8 李庆春 研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员9 刘广建高级工程师北京化工大学 聚合物加工 答辩委员1 0 王克俭副研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员1 1 赵中里讲师北京化工大学 聚合物加工 摘要 p s c 0 2 及其复合发泡体系的微孔发泡工艺研究 摘要 诸多研究者已经广泛的研究了使用c 0 2 发泡聚苯乙烯( p s ) ，并且 c 0 2 已经被认为是一种环保型发泡剂，其能够代替破坏大气臭氧层的氟氯 烃类发泡剂。然而，c 0 2 在p s 中的溶解度较低且扩散系数较高，这会造 成p s 发泡加工过程的困难，例如泡孔连通、泡孔破裂和表面瑕疵等。为 了避免这些问题，使用c 0 2 和醇类( 如乙醇) 、酮类( 如丙酮) 或水等作 为复合发泡剂是个很好的解决方法。本文采用c 0 2 、c 0 2 水和c 0 2 乙醇 作为发泡剂，研究了复合发泡剂对聚苯乙烯发泡的影响。 本文首先确定了p s c 0 2 、p s c 0 2 水和p s c 0 2 乙醇三种发泡体系的 发泡工艺区间，饱和时间依次为：1 8 0 m i n 、2 4 0 m i n 、2 4 0 m i n ，温度区间 依次为为：1 0 0 1 3 0 、1 0 0 1 4 0 、8 0 1 0 0 ，压力区问均为1 5 2 5 m p a ， 通过对比分析，得出了三种发泡体系工艺区间具有差异的原因；然后将其 作为d o e 方法的实验区间，采用2 因子2 水平的正交实验方法，将发泡 温度和发泡压力作为影响因子，发泡剂在p s 中的吸附量、p s 发泡制品的 表观密度、泡孔直径和泡孔密度作为响应结果，得到了各因子与各响应之 间的传递函数，并通过设定优化目标，得到了三种发泡体系的最优工艺条 件：1 0 0 。c 、2 5 m p a ( p s c 0 2 ) ，1 0 2 。c 、2 5 m p a ( p s c 0 2 水) ，1 0 0 。c 、2 5 m p a ( p s c 0 2 乙醇) 。 论文分析了工艺对c 0 2 、水、乙醇、c 0 2 水和c 0 2 l 醇在p s 中的吸 北京化工大学硕士学位论文 附量的影响，其中水的吸附量均为零，发现随着温度的升高，c 0 2 、c 0 2 水在p s 中的吸附量均减小，乙醇、c 0 2 7 , 醇在p s 中的吸附量增大，随 着压力的的增大，c 0 2 、c 0 2 水和c 0 2 7 , 醇在p s 中的吸附量均增大；并 将温度和压力对各发泡体系的吸附影响进行对比分析；根据f i c k i a n 定律 计算扩散系数，分析了c 0 2 、c 0 2 水和c 0 2 乙醇在p s 中的解吸附过程。 论文最后分析了p s c 0 2 、p s c 0 2 水和p s c 0 2 乙醇三种发泡体系所 制得的p s 发泡制品的性能，将p s c 0 2 水和p s c 0 2 7 , 醇复合发泡体系和 p s c 0 2 发泡体系作了对比，并得出了在不同工艺条件下制品性能改变的 百分比；同时发现随着温度的升高，泡孔直径增大、泡孔密度减小、表观 密度减小，随着压力的升高，泡孔直径减小，泡孔密度增大、表观密度减 小的规律。 关键词：聚苯乙烯，二氧化碳，d o e ，吸附，水，乙醇 i i a b s t r a c t s t u d yo ft e c h n o l o g yo fm i r c o c e l l u l a rf o a m o f p s c 0 2a n d i t sc o f o a m i n gs y s t e m s a b s t r a c t f o a m i n gp o l y s t y r e n e ( p s ) w i t hc 0 2h a sb e e ni n v e s t i g a t e de x t e n s i v e l yb y v a r i o u sr e s e a r c h e r sa n dh a s b e e ni d e n t i f i e da so n eo ft h e p o t e n t i a l e n v i r o n m e n t a l l y b e n i g nb l o w i n ga g e n t s ，a n di tc a nr e p l a c eh f c sw h i c hi s h a r m f u lt ot h eo z o n el a y e ro fa t m o s p h e r e h o w e v e r , t h er e l a t i v e l yl o w s o l u b i l i t ya n dh i g hd i f f u s i v i t yo fc 0 2i np sh a sr e s u l t e di nv a r i o u sp r o c e s s i n g c h a l l e n g e ss u c ha so p e nc e l l s ，b l o wh o l e s ，a n ds u r f a c ed e f e c t sw h e np r o d u c i n g p sf o a m s i n o r d e rt oc i r c u m v e n tt h e s ep r o b l e m s ，t h eu s eo fc 0 2 ，t o g e t h e r w i t h a l c o h o l ( e g e t h a n 0 1 ) ，k e t o n e ( e g a c e t o n e ) ，o rw a t e ra sc o b l o w i n g a g e n t s i sag o o ds o l u t i o n i nt h i s p a p e r , w i t hu s i n gc 0 2 ，c 0 2 w a t e r , a n d c 0 2 e t h a n o la st h eb l o w i n ga g e n t ，t h ei n f l u e n c eo fc o b l o w i n g a g e n to n f o a m i n gp sw a ss t u d i e d f i r s t ，t h et e c h n i c a li n t e r v a l s o f p s c 0 2 ，p s c 0 2 w a t e ra n d p s c 0 2 e t h a n o lf o a m i n gs y s t e mw a sd e t e r m i n e d ：t h es a t u r a t e dt i m ei s 18 0 m i n ， 2 4 0 m i na n d 2 4 0 m i n ，a n dt h ei n t e r v a l so ft e m p e r a t u r ei s 10 0 13 0 。c ， 1 0 0 1 4 0 。ca n d8 0 1 0 0 。c ，a n dt h ei n t e r v a l so fp r e s s u r e i sa l l1 5 - 2 5 m p a ： a c c o r d i n gt oc o n t r a s ta n da n a l y s i st h ei n t e r v a l s ，t h er e a s o nf o rt h ed i f f e r e n c e o ft h ei n t e r v a l so ft h et h r e ef o a m i n g s y s t e m sw a so b t m n e d t h e n ，t h ei n t e a l s 北京化工大学硕士学位论文 w e r eu s e da st h ee x p e r i m e n t a li n t e r v a l so fd o em e t h o d s w i t ht h eo r t h o g o n a l d e s i g nm e t h o dw h i c hh a dt w of a c t o r sa n dt w ol e v e l s ，a n dt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ew h i c hw e r et h ef a c t o r s ，a n dt h ea d s o r b a n c eo ft h eb l o w i n ga g e n ti n p s ，a p p a r e n td e n s i t y , c e l ld i a m e t e ra n dc e l ld e n s i t yw h i c hw e r et h er e s p o n s e s ， w eg e t e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nf a c t o r sa n dr e s p o n s e sb ya n a l y s i n gt h e t r a n s f e rf u n c t i o n s ，a n do b t a i n e dt h e o p t i m a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r ：10 0 。c ， 2 5 m p a ( p s c 0 2 ) ； 10 2 。c ，2 5 m p a ( p s c 0 2 w a t e r ) ， 10 0 。c ，2 5 m p a ( p s c o j e t h a n 0 1 ) i nt h i s p a p e r , t h ei n f l u e n c eo ft e c h n o l o g yo nt h ea d s o r b a n c eo fc 0 2 ， w a t e le t h a n o l ，c 0 2 w a t e ra n dc 0 2 e t h a n o li np sw a sa n a l y s e d w ef o u n dt h a t t h ea d s o r b a n c eo fw a t e ri np si sn o n e ，a n dw h e nt e m p e r a t u r ew a sr i s e d ，t h e a d s o r b a n c eo fc 0 2a n dc 0 2 w a t e ri np sw a sd e c r e a s i n g ，a n dt h ea d s o r b a n c e o fe t h a n o la n dc 0 2 e t h a n o li np si s i n c r e a s i n g ，t h e n t h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r eo na d s o r p t i o no fe v e r y f o a m i n gs y s t e mw a s c o n t r a s t e da n da n a l y s e d a c c o r d i n gt ot h ef i c k i a nl a w , t h ep r o c e s so f d i s o r p t i o no fc 0 2 ，c 0 2 w a t e r , c 0 2 e t h a n o li np s w a sa n a l y z e d f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep sf o a mp r o d u c t sw i t hc 0 2 ，c 0 2 w a t e r a n dc 0 2 e t h a n o lw a sa n a l y s e d ，a n dp s c 0 2f o a ms y s t e mw a sc o m p a r e dw i t h p s c 0 2 w a t e ra n dp s c o z e t h a n o lf o a ms y s t e m s ，a n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e n a p p a r e n td e n s i t y , c e l ld i a m e t e g c e l l d e n s i t y o ft h ep sf o a m sa n dt h e t e m p e r a t u r eo rp r e s s u r ew a ss t u d i e d w ef o u n dt h a tw h e n t h et e m p r e t u r er i s e d ， t h ec e l ld i a m e t e rw a si n c r e a s i n g ，a n dt h ec e l ld e n s i t yw a sd e c r e a s i n g ，a n dt h e i i a b s t r a c t a p p a r e n td e n s i t yw a sd e c r e s i n g ；w h e nt h ep r e s s u r ew a sr i s e d ，t h ec e l ld i a m e t e r w a sd e c r e a s i n g ，a n dt h ec e l ld e n s i t yw a si n c r e a s i n g ，a n dt h ea p p a r e n td e n s i t y w a sd e c r e s i n g k e y w o r d s ：p o l y s t y r e n e ，c a r b o nd i o x i d e ，d o e ，a d s o r p t i o n ，w a t e r ，e t h a n o l i 原书为空白 页，不缺内容 目录 目录 第一章绪论1 1 1 聚苯乙烯发泡材料概述1 1 2 发泡材料的制备方法1 1 3 发泡剂的种类及其发展2 1 3 1 发泡剂的种类2 1 3 2 发泡剂的发展、3 1 4p s 发泡材料的研究进展5 1 4 1p s 超临界二氧化碳发泡体系的研究5 1 4 2p s 及其共混物的发泡研究6 1 4 3 水发泡剂在p s 发泡中的应用6 1 4 4 复合发泡剂在p s 发泡中的应用7 1 5 本论文的主要研究内容、目的和意义7 1 5 1 主要研究内容7 1 5 2 研究的目的和意义8 第二章实验原料、设备、表征方法及实验方法9 2 1 实验原料一9 2 2 实验设备9 2 3 试样制备方法及实验流程1 0 2 3 1p s 样片制备方法1 0 2 3 2 实验流程1 l 2 4 表征方法：11 2 4 1 表观密度1 1 2 4 2 微观性能1 2 2 5 测量方法1 2 2 5 1 吸附量1 2 2 5 2 扩散系数1 3 2 6d o e 方法简介1 3 2 7 实验工艺区间的确定1 6 2 7 1 饱和时间的确定1 6 v 北京化工大学硕士学位论文 2 7 2 发泡温度的确定18 2 7 3 发泡压力的确定2 0 2 8 本章小结2 2 第三章d o e 方法对发泡工艺参数的优化2 3 3 1 实验方案2 3 3 2p s c 0 2 发泡体系工艺参数的优化2 3 3 2 1 传递函数的分析2 4 3 2 2 最优工艺条件2 5 3 3p s c 0 2 水发泡体系工艺参数的优化2 5 3 3 1 传递函数的分析2 6 3 3 2 最优工艺条件2 7 3 4p s c 0 2 乙醇发泡体系工艺参数的优化2 8 3 4 1 传递函数的分析2 9 3 4 2 最优工艺条件3 0 3 5 三种发泡体系d o e 优化结果的对比3 l 3 6 本章小结3 2 第四章三种发泡体系在p s 中的吸附和解吸附过程3 3 4 1 引言3 3 4 2 吸附实验3 3 4 2 1 温度对发泡剂在p s 中的吸附量的影响3 3 4 2 2 压力对发泡剂在p s 中的吸附量的影响3 4 4 2 3 发泡剂在p s 中吸附量的分析与对比3 6 4 2 4c 0 2 、c 0 2 水和c 0 2 乙醇在p s 中吸附速率的比较3 7 4 3 解吸附实验3 9 4 3 1p s c 0 2 水发泡体系3 9 4 3 2p s c 0 2 z , 醇发泡体系4 0 4 3 3c 0 2 水和c 0 2 乙醇在p s 中解吸附过程对比4 1 4 4 本章小结4 2 v i 目录 第五章c 0 2 水( 乙醇) 复合发泡体系制备p s 发泡材料4 3 5 1 发泡温度对p s 发泡制品性能的影响一4 3 5 1 1 温度对泡孔直径和泡孔密度的影响4 3 5 1 2 温度对表观密度的影响4 7 5 2 发泡压力对p s 发泡制品性能的影响4 8 5 2 1 压力对发泡制品泡孔直径和泡孔密度的影响4 8 5 2 2 压力对发泡制品表观密度的影响5 2 5 3 本章小结5 3 第六章结论5 5 6 1 结论5 5 6 2 课题有待进一步研究的问题5 6 参考文献5 7 致谢6 1 研究成果及发表的学术论文6 3 作者和导师简介6 5 v i i 原书为空白 页，不缺内容 c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1o v e r v i e wo f p o l y s t y r e n ef o a m s 1 1 2m e t h o d so f p r e p a r a t i o no f f o a m s 1 1 3t y p e sa n dd e v e l o p m e n to f b l o w i n ga g e n t 2 1 3 1t y p e so f b l o w i n ga g e n t z 1 3 2d e v e l o p m e n to f b l o w i n ga g e n t 3 1 4r e s e a r c hp r o g r e s so fp sf o a m s 5 1 4 1r e s e a r c ho f p s c 0 2f o a m i n gs y s t e m 5 1 4 2r e s e a r c ho f p sa n di t sb l e n d sf o a m s 6 1 4 3f o a m i n gp sw i t hw a t e r 6 1 4 4f o a m i n gp sw i t hc o b l o w i n ga g e n t 7 1 5m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j e c t 7 1 5 1m a i nr e s e a r c hc o n t e n s 7 1 5 2p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 8 c h a p t e r 2r a wm a t e r i a l s ，e q u i p m e n t ，c h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o d sa n d e x p e r i m e n t a l m e t h o d s 9 2 1r a wm a t e r i a l s 9 2 2e q u i p m e n t 9 2 3m e t h o do f p r e p a r a t i o no f s a m p l ea n de x p e r i m e n t a lp r o c e s s 1 0 2 3 1m e t h o do f p r e p a r a t i o no f p ss a m p l e 1 0 2 t 3 。2e x p e r i m e n t a lp r o c e s s “ 2 4c h a r a c t e r i z a t i o nm e t h d s 1l 2 4 1a p r a r e n td e n s i t y 11 2 4 2m i c r o c o s m i cp e r f o r m a n c e 1 2 2 5m e a s s u r em e t h o d 。1 2 2 ! ；1a d s o r b a n t e 1 2 2 5 2d i f f u s i o nc o e 伍c i e n t 1 3 2 6i n t r u d u c t i o no f d o e 1 3 2 7d e t e r m i n a t i o no f t e c h n i c a li n t e r v a l 。1 6 北京化工大学硕士学位论文 2 7 1s a t u r a t e dt i m e 1 6 2 7 2t e m p e r a t u r e 18 2 7 3p r e s s u r e 2 0 2 8b r i e fs u m m a r y ：! ：! c h a p t e r3o p t i m i z a t i o no ft e c h n i c a lp a r a m e t e r sb y d o e 2 3 3 1e x p e r i m e n ts c h e m e 2 3 3 2p s c 0 2s y s t e m 2 3 3 2 1a n a l y s i so f t r a n s f e rf u n t i o n s 2 4 3 2 2o p t i m a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r 2 5 3 3p s c 0 2 w a t e rs y s t e m 2 5 3 3 1a n a l y s i so f t r a n s f e rf u n t i o n s 2 6 3 3 2o p t i m a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r 2 7 3 4p s c 0 2 e t h a n o ls y s t e m 2 8 3 4 1a n a l y s i so f t r a n s f e rf u n t i o n s 2 9 3 4 2o p t i m a lt e c h n i a lp a r a m e t e r 3 0 3 5c o m p a r a t i o no f d o er e s u l t so f t h et h r e ef o a m i n gs y s t e m s 31 3 6b r i e fs u m m a r y 3 2 c h a p t e r 4a d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o no f t h et h r e ef o a m i n g s y s t e m s 3 3 4 1i n t r o d u c t i o n 3 3 4 2e x p e r i m e n to f a d s o r p t i o n 3 3 4 2 1i n f u l u n c eo f t e m p e r a t u r eo nt h ea d s o r b a n c eo f b l o w i n ga g e n ti np s 一3 3 4 2 2i n f u l u n c eo f p r e s s u r eo nt h ea d s o r b a n c eo f b l o w i n ga g e n ti np s 3 4 4 2 3c o m p a r a t i o na n da n a l y s i so f a d s o r b a n c eo f b l o w i n ga g e n ti np s 3 6 4 2 4c o m p a r a t i o no f r a t eo f a d s o r b a n c eo f c 0 2 ，c 0 2 w a t e ra n dc 0 2 e t h a n o li np s 3 7 4 3e x p e r i m e n to fd e s o r p t i o n 3 9 4 3 1p s c 0 2 w a t e rs y s t e m 3 9 4 3 2p s c o z e t h a n o ls y s t e m 4 0 4 3 3c o m p a r a t i o no f d e s o r p t i o no f c 0 2 w a t e ra n dc 0 2 e t h a n o li np s 4 1 4 4b r i e fs u m m a r y 4 2 x c o n t e n t s c h a p t e r 5f o a m i n gp o l y s t y r e n ew i t ham i x t u r eo fc a r b o nd i o x i d ea n d w a t e r ( o re t h a n 0 1 ) 4 3 5 1i n f l u n c eo f t e m p e r a t u r eo nt h ep e r f o m a n c eo f p sf o a m s 4 3 5 1 1i n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r eo nc e l ld i a m e t e ra n dc e l ld e n s i t y 4 3 1 ；1 2i n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r eo na p p a r e n td e n s i t y 4 7 5 2i n f l u e n c eo f p r e s s u r eo nt h ep e r f o r m a n c eo f p sf o a m s 4 8 5 2 1i n f l u e n c eo f p r e s s u r eo nc e l ld i a m e t e ra n dc e l ld e n s i t y 4 8 5 2 2i n f l u e n c eo f p r e s s u r eo na p p a r e n td e n s i t y 5 2 5 3b r i e fs u m m a r y 5 ：； c h a p t e r6c o n c l u s i o n s 5 5 6 1c o n c l u s i o n s 5 5 6 2f u r t h e rr e s e a r c hp r o b l e m so f t h i sp a p e r 5 6 r e f e r e n c e s 5 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 1 p r o d u c t i o na n dp u b l i s h e d p a p e r 6 3 a u t h o ra n dt u t o ri n t r o d u c t i o n 6 5 x i 原书为空白页 不缺内容 符号说明 符号说明 空气中发泡样品的质量，g 水中发泡样品的质量，g 温度t 时水的密度，g c m 弓 每c i i l 3 原聚合物中的泡孔数 s e m 照片中的泡孔数目 s e m 照片的面积，c m 2 s e m 照片的放大倍数 原聚合物的表观密度，g c m 。 发泡制品的表观密度，g c r n 弓 原聚合物样片的质量，g t 时刻聚合物样片增加的质量，g 聚合物样片增加的质量最大值，g 扩散系数，m z s 。1 样片厚度，m m 成核速率 气体在聚合物中的浓度 参加成核的气体的概率因子 b o l t z m a n n 常数 热力学温度，k g i b b s 自由能 临界自由能 气泡核内外气体的压力差 聚合物与气泡界面的表面能量 盯 ， ， k 峰n a m 阶阶md l印而尼t们解卸 第一章绪论 1 1 聚苯乙烯发泡材料概述 第一章绪论 聚合物发泡材料是由于发泡剂存在于聚合物基体中并且膨胀所形成的多孔制品。 聚合物发泡材料是指在聚合物内部形成多孔结构的一种材料。相比未发泡的材料，发 泡材料具有很多优点，比如，质量轻、节约材料、低的热导率、较好的绝热性能和隔 音性能、比强度高、并且能够吸收冲击载荷等优异的性能。发泡材料具有广泛的用途， 它们在日常生活用品、交通工具、绝热材料、包装材料、电工电子产品以及纺织领域 都有广泛的应用，一些具有高端性能的发泡材料在军事、航空航天领域也有着重要的 用途，近些年来，聚合物发泡材料发展的非常快，在国内外已经工业化( 1 , 2 , 3 1 。 聚苯乙烯( p s ) 是制备发泡材料的一种常用的聚合物。p s 性质比较硬，有较大 的刚性，高的透明度，而且耐水性和耐腐蚀性好，对水和酸碱醇都很稳定。根据成型 方法的不同，可以将p s 发泡材料分为可发性聚苯乙烯发泡材料( e p s