超临界CO2PS微孔塑料挤出成型中气泡核机理燃气锅炉
超临界CO2/PS微孔塑料挤出成型中气泡核机理
一、引言
微孔塑料是指泡孔的平均直径小于30μm(微米)的发泡塑料[1]。与普通塑料相比,其具有质轻、省料、能吸收冲击载荷、比强度等优点外,还具有优异的机械和物理性能,如较高的冲击强度和韧性,良好的隔音性能,很低的导电系数和导热系数等。常用的微孔塑料成型的主要方法有三种:间歇式成型、连续挤出成型和注射发泡成型。由于连续挤出法生产效率高,产品质量稳定,能够满足微孔塑料工业化生产的需要。以超临界CO2(即温度和压力均在其临界点Tc=31.1℃,Pc=7.3Mpa之上的CO2流体)为发泡剂,进行微孔塑料挤出发泡成型是目前国内外最常用的成型方法,其包括如下几个具体步骤[2-6]:(1)聚合物/气体均相体系;(2)均相气泡核的形成;(3)极小部分气泡核的生长;(4)均相气泡核自由长大;(5)气泡长大并相互挤压;(6)气泡继续长大为密排的六方结构。
二、建立气泡核自由长大阶段的数学模型
泡孔成核后,内部的压力立即与饱和压力相同。因此如果聚合物基体很柔软能发生粘弹性-塑料变形,泡孔将试图。假定泡孔的扩张一直继续到内部压力等于表面力和粘弹性空壁平衡时所需压力时,可以计算最终泡孔尺寸。同时,假定气体扩散速率很低,且在泡孔生长期间,没有气体从塑料制品中扩散出去,即如有N个泡孔成核,则最终制品有N个泡孔。本文选用如下球形模型为描述气泡长大的物理模型,如图-1所示。其中R(t)—气泡半径;S(t)—球半径;r—径向坐标。
为了建立表征微观细胞长大过程的数学模型,简化计算公式,对球形模型作如下假设:
①聚合物熔体不可压缩;②气泡和壁壳体在整个长大过程中是球心固定的同心球;③气泡内的气体为理想气体;④等温;⑤忽略球形模型同周围环境的质量交换;⑥泡核与泡核间的气体不互串、不扩散;⑦忽略惯性和重力的影响。
利用Dewitt本构、守恒定律和理想气体状态方程可得如下气泡核自由长大阶段的控制方程组:
τ+λ+ =-4η(1)
P--P-3dr=0(2)
PR=PR(3)
式中,P-气泡核的初始压力;R0-气泡的初始半径;&-气泡半径增长率;P-气泡内气体压力;σ-熔体的表面张力;P-周围熔体对球形模型的压力;τrr-剪切应力张量;λ-松弛时间;η0-零剪切粘度。
采用随体坐标变换x=r3-R(t)3将方程组简化,然后进行离散将方程组化为代数方程组,根据初始条件和边值条件,用Matlab语言编程上机数值模拟,得到离散解,再进一步应用插值方法便可从离散解得到整个区域(0.1秒)上的近似解。其数值模拟结果如论结果如图-1至图-3:
其中(图-1)中的参数:
含气2%曲线参数:模口温度110℃,成型初始压力Ps=4Mpa,Mmol=44×10-3kg/mol,Rmol=8.3143J/mol.k,σ=0.0278N/m,η0=4×103N?s/m2,λ=0.9s,τrr,0=3.2×103N/m2,ρP=920kg/m3,T=383.16K,n=4.2×1013个/m3,k0=4.2455×10-15m3,R0=11.29×10-6m,Pg0=4.0049×106Pa,Pf0=3.9955×106Pa
含气4%曲线参数:Ps=4.5Mpa,n=2.5×1014个/m3,K0=5.9110×10-16m3,R0=7.139×10-6m,Pg0=4.5078×106Pa,Pf0=4.4959×106Pa,其它同含气2%。
含气6%的曲线参数:Ps=5Mpa,n=8.8×1014个/m3,K0=1.4674×10-16m3,R0=4.994×10-6m,Pg0=5.0111×106Pa,Pf0=4.9974×106Pa,其它同含气2%。
含气8%的曲线参数:Ps=6Mpa,n=2.3×1014个/m3,K0=5.2897×10-16m3,R0=3.706×10-6m,Pg0=6.0150×106Pa,Pf0=5.9976×106Pa,其它同含气2%。
(图-2)中参数:
成核数8.8×108个/cm3曲线,即(图-1)中含气6%曲线。
成核数2×109个/cm3曲线:K0=6.4579×10-17m3,R0=3.798×10-6m,Pg0=5.0146×106Pa,Pf0=4.9974×106Pa。
(图-3)中参数:
成型初始压力5MPa曲线:即(图-1)中含气6%曲线。
成型初始压力10MPa曲线:K0=6.4579×10-17m3,R0=3.798×10-6m,Pg0=5.0146×106Pa,Pf0=4.9974×106Pa。
三、实验研究
以PS(牌号:Grade 1160;商标:LAC-QRENE;批号:850308118;固体密度:0.92g/cm3;阿托菲纳(三水)聚苯乙烯有限公司生产)和超临界CO2为原料,在Φ45且L/D=42的单螺杆挤出机上进行实验。其结果如图-4至图-9。
四、结果讨论
在其他加工成型条件不变的情况下,当注入到挤出机筒中的超临界CO2含量增加时,制品的气泡平均半径将依次减少。根据经典成核理论,可以认为聚合物中CO2含量增加,将提高气泡成核所需的热力学不稳定程度,从而增加气泡的数目,减少泡孔的平均半径。
但当注入到挤出机机筒中的超临界CO2含量过高(超过其溶解度),CO2已经不能溶解在聚合物熔体中,而是以高速气流的形式从机头喷射出去聚合物熔体反而堵塞在机筒中,制品质量就下降。
作者: 伍海尉 赵良知
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