Chemyx Nexus柱塞泵-塑料發泡模擬系統
概述
發泡塑料在全世界范圍內被廣泛用作制造材料。特別是與固體塑料制品相比，泡孔密度更高、泡孔尺寸更均勻的泡沫塑料制品具有優異的機械性能，如：韌性、疲勞壽命及更好的隔熱性能。泡沫塑料的應用范圍從家庭用品如包裝和保溫材料，到先進飛機、汽車等具有高強度重量比的工程零件產品。此外泡沫塑料產品減少了材料的使用，這通常占總生產成本的50%至70%。
理論與實踐
一般來說，所有發泡過程都涉及四個主要步驟：
- 氣體溶解到聚合物基體中
- 氣泡成核
- 氣泡生長
- 泡沫結構的穩定化
過去，人們一直在進行大量研究，以改進發泡技術和產品，使用小型工業泡沫加工設備，如泡沫擠出或注射成型系統。然而在這些體系中，決定最終泡沫形成結構（例如氣泡尺寸分布和密度）的氣泡成核和生長現象，不易被觀察到。因此，加工方法和工藝條件的優化仍以反復試驗為基礎。在這種背景下，研究人員過去已經開發了實驗發泡模擬系統，以實時觀測塑料發泡過程，從而更好地了解氣泡的成核和生長現象。在這些研究的基礎上，多倫多大學開發了一個實驗發泡模擬系統，該系統可以產生高壓降來模擬微孔塑料發泡（圖1）。該系統采用高速攝像和光學顯微鏡對發泡過程進行現場拍攝。利用該模擬系統進行研究的最終結果有助于優化各種發泡工藝的工藝條件，有利于開發性能優良的材料發泡性。
實驗方法和結果
在下一頁，圖1展示了間歇發泡可視化系統示意圖，實驗發泡模擬系統由高溫高壓室組成，每個發泡試驗都要密封一個小塑料樣品。腔室內的溫度和壓力由帶有PID反饋控制的電加熱器和通過Chemyx Nexus柱塞泵的計量氣體供應。該腔室配有兩個藍寶石窗口，以便觀測塑料樣品。一套包含高速攝像機與高倍率變焦耦合安裝透鏡的光學系統和光纖傳輸光源，用來在發泡過程中對塑料樣品進行明亮的現場觀察和視頻記錄。系統中集成了一個計算機系統，用來控制排氣閥的開啟，觸發高速攝像機，并預先設定傳感器記錄數據。為了進行發泡實驗，在高壓下，將一個薄的圓盤狀塑料樣品放入腔室內。然后將該腔室保持在指定的溫度和壓力下30分鐘，以便使發泡劑完全溶解到樣品中。最后通過打開排氣閥將發泡劑從腔室中釋放出來。腔室內壓力迅速下降，導致塑料樣品開始發泡。高速攝像機實時采集發泡過程，通過壓力傳感器的讀數記錄壓降曲線。通過調整排氣通道的阻力，可以得到不同的壓降率。
腔室內的壓力是該系統最重要的實驗參數之一。具體來說，它決定了溶解在塑料樣品中的氣體量，并影響氣體釋放到周圍環境中引發發泡時腔室內的壓降速率。在先前的研究中，氣體含量和壓降速率是發泡的重要因素。因此保持盡可能精確地控制腔室內壓力非常重要。Chemyx柱塞泵向腔室內以恒定壓力供應氣體。發泡實驗中使用的壓力通常在300至3000psi的范圍內，這在柱塞泵的能力范圍內。如前所述，對于每一次試驗，氣體壓力應保持在設定水平約30分鐘，以使在氣體在釋放之前完全溶解到聚合物取樣器中。在這段時間內，必須準確地保持氣體壓力在設定水平，波動最小，因為氣體壓力的任何不穩定都可能導致塑料樣品內部過早起泡，從而破壞實驗結果的有效性。因此在較短的沉降時間和最小的穩態誤差下，柱塞泵恒壓精確反饋控制系統是該實驗的關鍵。利用間歇發泡模擬系統，驗證了不同實驗參數對塑料發泡行為的影響。與擠出發泡結果相似，發現較高壓降速率和溶解氣體含量較高的發泡會導致泡孔密度增加。以聚苯乙烯和聚碳酸酯二氧化碳發泡為例，發現泡孔生長速率隨溫度升高而增加，但由于氣體消耗速率加快，成核密度略有下降。圖2描述了氣泡成核速率與時間的關系曲線，圖3描述了氣泡密度與時間的關系曲線。在初始發泡階段，由于壓降引起的過飽和，成核速率增加。由于氣泡成核和生長，聚合物中的氣體濃度降低，成核速率降低，最終降至零。這導致成核速率分布如圖2所示。
