微孔塑料物理发泡泡孔控制.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 陈国华等微孔塑料物理发泡泡孔控制 微孔塑料物理发泡泡孔控制 陈国华彭玉成 华南理 工 大学轻工机械博士点 光爵 摘要本文简单介绍了国际上微孔塑料物理发泡的最新进展 阐述了微孔塑料物理发泡的 机理 详细介绍了国际上微孔塑料泡孔控制 的研究进展 海岛模型和细胞模型是研究泡孔 长大的 基本模型 理论上细胞模型更接近细胞长大的实际情况 影响泡孔 长大 的因素很 多 综合起来可分 为两大类 体系 的物性参数和工艺参数 综合有关文献定性地得出了有关因素对泡孔长大的影 响 关键词微孔塑料物理发泡泡孔长大控制 前言 微孔塑料是指 泡孔 直径在 一 脚 泡 孔密度在护 一 叨尹单位体积 中泡 孔 的 个数之间 的泡 沫塑料川 获取微孔 塑料可采用 模压成型 和挤出成型等工艺 手段 模压成型一 般是将 预制好的塑料型坯置于特制的模腔 内 然后在模腔 内注人高压 发 泡 剂 高压 下 的发 泡 剂使塑料型坯过饱和 然后 通过释压加热的方 法 使发 泡剂以微小 气 泡 的形 式释出而形成微 孔 挤出成型则 是将高压的发泡剂 直接注入熔 融 的聚合物熔 体 在螺杆的剪切及 自身扩散的 作用 下 发泡剂与聚合物熔体形成过饱和 的体 系 然后在挤出机头处释压 利用过饱和体系的 热力 不稳定而形成微小 的泡孔 泡孔长大的研究状况 发泡过程 中 气泡成核和气泡长 大控制是 目前微孔塑料的研究重点 如 何获得预定尺寸 要求的微孔即泡孔长大的控制 则是制备合格 产品的关键 早在年 此就研究了 收稿日期卯 一的一 在静止液体中 球形气泡 的膨胀与塌陷 研究了等温条 件下 单个气泡在静止幂律流体 中 扩散 控 制的气泡 长 大过 程 接着和 又将研究的范 围扩展到静态聚合物 的 熔体 并给 出了如下气泡长大 随时 间 的变 化关 系 丽 二 阮 一 式 中 气泡半径 气体扩散 系数 与扩散系数 气体浓度 压 力 气泡 临界半径等有关的系数 后来 和将上式应用于纯弹性介 质 在考虑 小气 泡向大气泡集结后 将 的理论进一步扩展为 一 召 少 式 中 气泡初始半径 与体系参数有关的常数 考虑液体的阻力和气液之 间的传递过程 的 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 陈国华等微孔塑料物理发泡泡孔控制 影响 和肠研究了等温 静止牛 顿流体 中单个气泡的长大过程 并将气 泡 的长 大过程分为两个 阶段 初始阶段的增长速度与 时间成正比 后阶段又称渐近线阶段增 长速 度与时 间的平方根成比例 此 阶段的增 长速度 取决于气体的扩散速度 吞玩研究了牛 顿流体和粘弹熔体 中扩散诱导 的气泡塌陷的现 象 其它学者 着重研究了流体的弹性对扩 散控制的气泡长 大的影响 得到了较为一致的 关系式 式 中 熔体的幂律常数 并且发现气体的增长速度与气泡初始半径 的大 小无关 结合动量 质量和能量的传递 采 用薄壳的近似计算方法即假 设传递过程 只发 生在泡壁外的有 限厚度的薄层 内求解 得出如 下结论 等温条件下气泡 的扩展速度比非等温 要快 在 非牛顿流体中气泡 的膨胀速 度 较 快 流体的弹性对膨胀的影响强烈 气泡初始的增长速度受质量和动量传 递的控制 气体扩散系数 浓度 熔体粘度 和非 牛顿行为指数对气泡增长 的影响较大 为综合考虑 气体在 粘弹 流体 中的长 大行 为 结合实验与理论分析 研究了等温条 件下 无限静止粘弹流体模型 中单个气泡 的长大过程 由于考虑 了粘 弹及界 面张力的影响 因此可以近似地反 映气泡 的长 大过程 在该模型中体系 的各个参数都得到了 定性 的描述 特别指 出熔体的弹性可以显著地 加速气泡的长 大 卿 等应用有 限无 的计算方法分析了无限模型 下单个气泡 在无限粘 弹流体中长大和 塌陷过 程图 在 分析过程中假设压差恒定 忽略质量的传递 结 果表明 增加数可以提高气泡 的增长速率 但同时气泡塌陷的速度也增 大 而后他们还研 究了振动对气泡成 核和长 大 的影响 但不足之 处是没有考虑泡与泡之间的相互影响及泡间的 合并 静止 等温以及熔体的不 压缩的假设也不 太切合实际 为了使研究更接近实际沪刀刃 采用 细胞模型进行描述 认为泡孔 外面包裹 着 一层很薄的熔膜图 而非被无限 的熔体包 围 并 且考虑了熔体压力 和流速等参数对泡核 长大的影响 但仍然是对单个泡孔进行描述 二 图气泡长大的细胞模型 图气泡长大的海岛模型 实际上在 大量 泡孔存在的条件下 泡间距 远小于泡的直径 泡间的影 响不能忽 略 基 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 陈国华等微孔塑料物理发泡泡孔控制 于这种考虑 五 等研究了多个气泡在 等温 可 压缩牛顿流体 中的长大过程采用 的是 细胞模型 如图 在气 泡 整个长大过程 中 假 设泡外层 的熔膜 质量保持不变 用数值分析的 办法 描述了气泡的长大过程 在上述 分析的基础上 川又进一步分析了粘弹流体 中扩散控制 的 气泡 长 大 过程 用给定熔膜 质量 的方法来模拟 大量泡孔 间 的相互作用 用模型来表征 流体的粘 弹性 运用势函数和 刊列犯 变换 求解偏微分方程 采用数值计算的方法求解出 气泡长大了随时间及体系参数如流体粘度 弹 性 温度压力等的变 化关系 模型还考 虑了初 始应力存在时 的影响 在考试温度 压力 等对气 体溶解度的影响时 采用了 石模型 来修 正亨利 常数 分 析 结果表明 在气泡成长的 初 期 粘 弹体系下 的成长速度 远大 于牛顿流体 中 气泡 的成长速度 而 在 长大的后期则 与牛顿体 系趋于 一致 同时发 现气 泡界面上 初始应力的 存在显著地 阻止气泡的长大 因此熔体弹性在 增长 初期 对 气 泡 有明显的促进 作用 这与 川结论基本一致 之后 进一步研究了 非等温过程 即大量气泡在高粘度 流体 非等温 条件下气泡的长 大过程 并将数值计算的结果 与实验的结果进行了对比 具有 良好的一致性 从上述气泡长 大的研究过 程来 看 描 述气 泡 的模型经 历了两 个阶段 一是以 和 骊 为 代 表 提出 的单 个气泡 和 无限熔体的海岛模型 即用单个气泡在无限大 的熔体中的长大行为来表征整个体系气泡 的长 大规律 文献 等采用该模型 另 一个是 由 等提出的细胞模型 细胞模型认为大量 气泡的存在使得每个气泡只能拥有 的熔膜质量 在气泡 的长 大过程中保持恒定不变 气泡只与 各 自的熔膜进行质量 动量及能量 的传递 从实 际情况来看细胞模型更接近实际 讨论与小结 从单气泡 的海岛模型 到细胞模型 气泡长 大控制的研究得 到了进一深人 以海岛模型作 试验研究的代表 当推美国学者 他在 试验中利 用可视化 试 验 手段研究了多 种 因素 如压 力 温度 气 体浓度等对气泡长大的影 响 取得了一 系列有指导意义的试验结果 但试 验结果都是针对某一聚合物体系进行的 难以 作一般的推 广 而 三 则以细胞模型为 基础 采用数值模拟手段在气泡长大控制方面 作了大量 的研究工作 首次将气泡与熔体膜 间 的质量传递 动量传递和能量传递 等复杂的交 换过程作为气泡长 大 的控制参数 在熔体本构 方程中以二维线性上 随模型来表征熔 体的粘弹性质 应 用模型来 修正气体在 高温 高压下 的溶解度 系数 整 个模拟系统可谓 庞大而 细致 但不足之处 是没有把计算直接 与 实验研究 结合起来 模拟 的准确 性有待进一步 考证 其实 气泡在 流场 中的长大 过程远比上述 考虑 的情况复杂 许多不 可忽略的影 响 因素都 没有 纳人到控 制方程 中去 例如熔体剪切场对 气泡物 理形态的影响 剪切 引起的气泡熔膜界 面 的更 新对气 体的传递的影响 剪切及扩散引 起的气泡 塌 陷及相互集结 表征熔体粘弹性 的 本构方程 的选 用以及高温 高压下处于临界状 态 的发泡剂的物理性质等 归纳起来 影 响气泡长 大 的 因素大致可分 为二大类 一类属于 体系的物性参数 如气体的 溶解度 扩散系数 熔体的粘 弹性 气液界面 的 表面张力等 它们主要通过界面间的物理传递 来影响气泡的长大 另一类属于加工艺参数如 压力 温度 剪切 速率等 这 一类参 数主要通过 热力学性能来影响气泡的长大 综合前面 的研 究结果 体系各参 数对气泡 长大的影响简述如下 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 陈国华等微孔塑料物理发泡泡孔控制 熔体粘度粘度越大阻力 越大 气泡 的 长大速度越慢 尤其在气泡长大的初始阶段 熔体弹性 弹性 的影响表现出双 重性 增大熔体的弹性 有利于减小熔体的阻力 气泡 的长大速度增大 但熔体弹性越大 熔体储存的 弹性能 也越 大 弹性 能作用 在气泡界面上 的应 力阻止气泡 的长大 气体的种类气体的物理性质不 同 影 响到气泡 的增 大速率 气泡界面 的 张力界面 张 力 阻 止气 泡 的长大 但应 当注 意 如果界 面 张力 过 小 则会 导致气体逃逸量 的增加 气 泡塌陷及泡孔连通 温度温度主要 是通 过 影 响气体的扩 散系数和溶解度 系数以及熔体的参数来影响气 泡的长大 对于溶解热为负的气体来说 提高温 度有 利 于增加气泡的长 大速度 压力压 力越大 泡核