Teledyne ISCO 柱塞泵在塑料發(fā)泡模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(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(jìn)行現(xiàn)場拍攝。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展示了郭等人開發(fā)的間歇發(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Teledyne ISCO柱塞泵的計量氣體供應(yīng)。該腔室配有兩個藍(lán)寶石窗口，以便觀測塑料樣品。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，用來在發(fā)泡過程中對塑料樣品進(jìn)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(jī)系統(tǒng)，用來控制排氣閥的開啟，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(jī)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。

ISCO 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(zhǔn)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。
   

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參考文獻(xiàn)

1) Baldwin, D.F., Suh, N.P. SPE ANTECTech Papers, 38,1503 (1992.).

2. Seeler, K.A. and Kumar, V., ASME,Cellu Polym, 38, 93(1992).

3. Glicksman, L., Notes from MIT SumProg 4.10S Foamand Cellu Mater: Therm and Mech Prop, Cambridge,MA, June 29-1(1992).

4. Ohyabu, H., Otake, K., Hayashi, H.,Inomama, H., Taira,T., Proc of Polym Proc Soc Annu Meeting (PPS19), Melbourne,Australia,July 7-10 (2003).

5. Taki, K., Nakayama, T., Yatsuzuka,T., Oshima, M., J Cell Plast, 39, 155 (2003).

6. Guo, Q., Wang, J., Park, C.B., andOhshima, M., Ind Eng Chem Res, 45, 6153 (2006).

7. Park, C.B., Baldwin, D.F., and Suh,N.P., Polym Eng Sci,35, 432 (1995).

8. Xu, X., Park, C.B., Xu, D., andPop-Iliev, R., Polym Eng Sci, 43, 1378 (2003).

9. Leung, S.N., Wong, A., and Park,C.B., SPE ANTEC TechPapers, 3052 (2007).

10. Wong, A., Leung, S.N., Li, Y.G.,and Park, C.B., Ind EngChem Res, 46, 7107 (2007).