微孔发泡过程模拟.doc

模压法微孔发泡机理研究 管蓉*，向帮龙，李应林，肖兆新，鲁德平 （湖北大学化学化工学院，武汉，430062） 微孔发泡塑料是一种泡孔直径在微米级的新型发泡材料，由于具有一些独特的性能，使其应用领域非常宽广，被称为“21世纪的新型材料”，是当今材料学研究中一个新的热点。 本研究较为成熟地运用普通模压机制备出微孔发泡PET薄型片材，开创了在高弹态下对聚合物进行微孔发泡加工的新工艺。该方法成型周期短，工艺流程简单，易于操作，生产成本低，运行费用低廉，易于工业化。同其它诸多制备方法一样，模压法微孔发泡主要由三个阶段组成，分别是：聚合物-气体均相体系形成阶段，泡孔成核，泡孔增长及定型阶段。为了进一步深入探讨模压法微孔发泡方法中泡孔结构的控制，我们对模压法微孔发泡机理进行了探索。 我们首先用图示模型来描述了气体扩散吸收过程：在气体饱和阶段，当气体压力增大到某一临界值之后，由于模压发泡时热压机中心区域温度偏高，故气体从中心区域扩散进入PET片材。随着气体的不断扩散，中心区域气体浓度逐渐增大，部分区域先达到饱和状态；同时，饱和区域逐渐向四周扩展。此现象在实验中得到证实，譬如当饱和时间不足时，表现为片材中心区域首先发泡，随着饱和时间延长，发泡区域逐渐向四周蔓延，当饱和时间足够长，PET片材全部被气体饱和。由于模压法微孔发泡时气体自下向上扩散进入PET片材，所以在饱和初期或是饱和不完全时，片材中的气体浓度自下而上逐渐减小。 气体扩散逃逸是模压法微孔发泡的关键环节，在卸压发泡瞬间，部分气体从饱和的PET片材中扩散逃逸而损失。由于被饱和的 PET片材中气体浓度相对较大，卸压使得原来的溶解吸收平衡被打破，气体就会从浓度较大的PET片材向环境扩散，一般靠近表层的气体首先扩散逃逸而损失，使得表层的气体浓度大大降低。与此同时，片材内部也会出现瞬间的不稳定状态，导致泡孔成核，气体除了向泡核扩散外，少量气体也会从浓度较大的中心向浓度较小的表层扩散，并且很快再次恢复平衡。气体扩散逃逸在一定程度上降低了PET片材中饱和气体的浓度，尤其对薄型片材的微孔发泡影响较大，从而影响泡孔的成核密度，这是微孔发泡聚合物形成皮芯结构的主要原因。 同时，我们还从理论上对气体在PET片材中的扩散动力学进行了研究。根据实际情况，用一维的Laplace方程描述了本实验中的气体传质过程，并且利用边界条件和极限条件对方程进行了处理，得到了一个精确的级数解。 最后，对微孔发泡中的泡孔成核及其增长过程进行了图示描述，较为完整的反映了微孔发泡机理。 参考文献 [1] Yuan M., Turng L. Microstructure and mechanical properties of microcellular injection molded polyamide-6 nanocomposites. Polymer, 2005, 46: 7273. [2] Krause B., Sijbesma H. J. P., Münüklü P., et al. Bicontinuous nanoporous polymers by carbon dioxide foaming. Macromolecules, 2001, 34: 8792. [3] Gosselin R., Rodrigue D. Cell morphology analysis of high density polymer foams. Polymer Testing, 2005, 24: 1027. [4] Guan R., Xiang B., Xiao Z., et al. The processing-structure relationships in thin microcellular PET sheet prepared by compression molding. European Polymer Journal, 2006, 42: 1022. [5] Sun X., Liu H., He J., et al. Investigation on the cell nucleation and cell growth in microcellular foaming by means of temperature quenching. Journal of Applied Polymer Science, 2004, 93: 163. 致谢 本工作得到国家自然科学基金资助。 The Mechanism of Microcellular Foaming by Compression Molding GUAN Rong*, XIANG Bang-long, LI Ying-lin, XIAO Zha