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(jī)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(jìn)飛機(jī)、汽車(chē)等具有高強(qiáng)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(shí)踐

一般來(lái)說(shuō)，所有發(fā)泡過(guò)程都涉及四個(gè)主要步驟：

• 氣體溶解到聚合物基體中
• 氣泡成核
• 氣泡生長(zhǎng)
• 泡沫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化

過(guò)去，人們一直在進(jìn)行大量研究，以改進(jìn)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(zhǎng)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(yàn)為基礎(chǔ)。在這種背景下，研究人員過(guò)去已經(jīng)開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)發(fā)泡模擬系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)觀測(cè)塑料發(fā)泡過(guò)程，從而更好地了解氣泡的成核和生長(zhǎng)現(xiàn)象。在這些研究的基礎(chǔ)上，多倫多大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)泡模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生高壓降來(lái)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(duì)發(fā)泡過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍攝。利用該模擬系統(tǒng)進(jìn)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(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的材料發(fā)泡性。

實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

在下一頁(yè)，圖1展示了間歇發(fā)泡可視化系統(tǒng)示意圖，實(shí)驗(yàn)發(fā)泡模擬系統(tǒng)由高溫高壓室組成，每個(gè)發(fā)泡試驗(yàn)都要密封一個(gè)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(guò)Chemyx Nexus柱塞泵的計(jì)量氣體供應(yīng)。該腔室配有兩個(gè)藍(lán)寶石窗口，以便觀測(cè)塑料樣品。一套包含高速攝像機(jī)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(lái)在發(fā)泡過(guò)程中對(duì)塑料樣品進(jìn)行明亮的現(xiàn)場(chǎng)觀察和視頻記錄。系統(tǒng)中集成了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用來(lái)控制排氣閥的開(kāi)啟，觸發(fā)高速攝像機(jī)，并預(yù)先設(shè)定傳感器記錄數(shù)據(jù)。為了進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，在高壓下，將一個(gè)薄的圓盤(pán)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(guò)打開(kāi)排氣閥將發(fā)泡劑從腔室中釋放出來(lái)。腔室內(nèi)壓力迅速下降，導(dǎo)致塑料樣品開(kāi)始發(fā)泡。高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集發(fā)泡過(guò)程，通過(guò)壓力傳感器的讀數(shù)記錄壓降曲線。通過(guò)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(shí)驗(yàn)參數(shù)之一。具體來(lái)說(shuō)，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?chē)h(huán)境中引發(fā)發(fā)泡時(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)于每一次試驗(yàn)，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(shí)間內(nèi)，必須準(zhǔn)確地保持氣體壓力在設(shè)定水平，波動(dòng)最小，因?yàn)闅怏w壓力的任何不穩(wěn)定都可能導(dǎo)致塑料樣品內(nèi)部過(guò)早起泡，從而破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。因此在較短的沉降時(shí)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(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。利用間歇發(fā)泡模擬系統(tǒng)，驗(yàn)證了不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)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(huì)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(zhǎng)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(shí)間的關(guān)系曲線，圖3描述了氣泡密度與時(shí)間的關(guān)系曲線。在初始發(fā)泡階段，由于壓降引起的過(guò)飽和，成核速率增加。由于氣泡成核和生長(zhǎng)，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。