Chemyx Nexus柱塞泵-塑料發(fā)泡模擬系統(tǒng)
概述
發(fā)泡塑料在全世界范圍內(nèi)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(yōu)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(yīng)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(chǎn)品。此外泡沫塑料產(chǎn)品減少了材料的使用，這通常占總生產(chǎn)成本的50%至70%。
理論與實踐
一般來說，所有發(fā)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化
過去，人們一直在進行大量研究，以改進發(fā)泡技術(shù)和產(chǎn)品，使用小型工業(yè)泡沫加工設(shè)備，如泡沫擠出或注射成型系統(tǒng)。然而在這些體系中，決定最終泡沫形成結(jié)構(gòu)（例如氣泡尺寸分布和密度）的氣泡成核和生長現(xiàn)象，不易被觀察到。因此，加工方法和工藝條件的優(yōu)化仍以反復(fù)試驗為基礎(chǔ)。在這種背景下，研究人員過去已經(jīng)開發(fā)了實驗發(fā)泡模擬系統(tǒng)，以實時觀測塑料發(fā)泡過程，從而更好地了解氣泡的成核和生長現(xiàn)象。在這些研究的基礎(chǔ)上，多倫多大學(xué)開發(fā)了一個實驗發(fā)泡模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生高壓降來模擬微孔塑料發(fā)泡（圖1）。該系統(tǒng)采用高速攝像和光學(xué)顯微鏡對發(fā)泡過程進行現(xiàn)場拍攝。利用該模擬系統(tǒng)進行研究的最終結(jié)果有助于優(yōu)化各種發(fā)泡工藝的工藝條件，有利于開發(fā)性能優(yōu)良的材料發(fā)泡性。
實驗方法和結(jié)果
在下一頁，圖1展示了間歇發(fā)泡可視化系統(tǒng)示意圖，實驗發(fā)泡模擬系統(tǒng)由高溫高壓室組成，每個發(fā)泡試驗都要密封一個小塑料樣品。腔室內(nèi)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(yīng)。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(xué)系統(tǒng)和光纖傳輸光源，用來在發(fā)泡過程中對塑料樣品進行明亮的現(xiàn)場觀察和視頻記錄。系統(tǒng)中集成了一個計算機系統(tǒng)，用來控制排氣閥的開啟，觸發(fā)高速攝像機，并預(yù)先設(shè)定傳感器記錄數(shù)據(jù)。為了進行發(fā)泡實驗，在高壓下，將一個薄的圓盤狀塑料樣品放入腔室內(nèi)。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(fā)泡劑完全溶解到樣品中。最后通過打開排氣閥將發(fā)泡劑從腔室中釋放出來。腔室內(nèi)壓力迅速下降，導(dǎo)致塑料樣品開始發(fā)泡。高速攝像機實時采集發(fā)泡過程，通過壓力傳感器的讀數(shù)記錄壓降曲線。通過調(diào)整排氣通道的阻力，可以得到不同的壓降率。
腔室內(nèi)的壓力是該系統(tǒng)最重要的實驗參數(shù)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(huán)境中引發(fā)發(fā)泡時腔室內(nèi)的壓降速率。在先前的研究中，氣體含量和壓降速率是發(fā)泡的重要因素。因此保持盡可能精確地控制腔室內(nèi)壓力非常重要。Chemyx柱塞泵向腔室內(nèi)以恒定壓力供應(yīng)氣體。發(fā)泡實驗中使用的壓力通常在300至3000psi的范圍內(nèi)，這在柱塞泵的能力范圍內(nèi)。如前所述，對于每一次試驗，氣體壓力應(yīng)保持在設(shè)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(nèi)，必須準確地保持氣體壓力在設(shè)定水平，波動最小，因為氣體壓力的任何不穩(wěn)定都可能導(dǎo)致塑料樣品內(nèi)部過早起泡，從而破壞實驗結(jié)果的有效性。因此在較短的沉降時間和最小的穩(wěn)態(tài)誤差下，柱塞泵恒壓精確反饋控制系統(tǒng)是該實驗的關(guān)鍵。利用間歇發(fā)泡模擬系統(tǒng)，驗證了不同實驗參數(shù)對塑料發(fā)泡行為的影響。與擠出發(fā)泡結(jié)果相似，發(fā)現(xiàn)較高壓降速率和溶解氣體含量較高的發(fā)泡會導(dǎo)致泡孔密度增加。以聚苯乙烯和聚碳酸酯二氧化碳發(fā)泡為例，發(fā)現(xiàn)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(guān)系曲線，圖3描述了氣泡密度與時間的關(guān)系曲線。在初始發(fā)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(dǎo)致成核速率分布如圖2所示。
