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微孔曝气器泡孔长大

  • 作者:许一明    来源:宜兴市官高水处理填料有限公司    时间:2016-08-05    点击:479
气体扩散进已有泡孔中,使泡孔膨胀。加工条件为控制泡孔长大提供必需的压力和 温度。本节阐述了聚合物发泡过程中泡孔长大的初始阶段,深入研究了填充与未填充聚合物之间的差异。研究发现,一定量的气体累积在聚合物填料界面[n,累积的气体对初 始泡孔长大有显著影响。
2.5.1泡孔长大模型
ramesh总结了自1917年以来泡孔长大模型的理论和实验分析[39]。单泡孔长大模型 是1917 ~ 1984年间大多数文献的研究重点,研究集中在被无限液体海包围的单泡孔由无限气体供应泡孔长大方面。实际上,泡孔是在实际有限的气体条件下随着无数泡孔互 相紧靠而膨胀长大的。因此,工业上的实际需要促进了所谓的?4孔模型这一新模s在
1984 ~ 1998年的建立。amon和denson140]于1984年提出了第一种泡孔模型,研究注射 成型过程中一组被聚合物和溶解气体薄膜隔开的气泡的长大。自此,建立起两种泡孔模型:一种是封闭体系的泡孔模型,适用于注射成型;另一种是考虑了气体损失效应的改 进型泡孔模型,适合于挤出工艺。所有资料在参考文献[39]中都有很好的总结。
1.无量纲泡孔长大模型[40_43]
arefmanesh等人建立了一种适用于注射成型的泡孔长大模型,适用于在没有气体损 失的条件下大量紧密长大的泡孔。没有气体损失在注射成型中是恰当的假设[4142],因 为注射模具在注射全程中都是封闭的。这些研究结果与实验数据和理论预测值呈现出量上的吻合。该模型考虑了聚合物的黏弹性质,利用了质量和动量传递的同步方程。聚合 物被看做是一个简单的maxwell元件,有单一松弛时间常量。无量纲数在黏弹性液体中' 的泡孔长大模型中定义。许多论文都提出并使用了这一模型[4。这些方程也被用于 微孔曝气机注射成型中预测泡孔长大,表示如下:
k _2吾-p丨 +                             =0 (2'31)
式中p:——泡孔压力降;
p;——作用压力下降值;
r *——无量纲瞬时泡孔半径•’
---- 减小的lagrangian坐标(空间和时间坐标的结合);
——径向的无量纲法向应力;
——圆周方向的无量纲法向应力;
——考虑了体系性能和加工条件的无量纲参数,是变量无量纲化过程中产生 的,定义为
(2-32)
d; =(s0/r0)3-1                           (2-33)
式中s0——泡孔长大的壳体半径(图9-7);
p.--- ^大气压力;

(2-34)
r0——初始泡孔半径; o-b——泡孔表面张力。

/ 1 4it2r*
\ .—
4 / m \
u2* +d;y' +rt3
r"-—i
x\d:y' +h
 

式中
一演算时间;

r *——无量纲瞬时泡孔半径r *的时间导数。
和是无量纲参数,定义为
(2-35)

-气体-聚合物基体内的气体密度; -长大泡孔内的气体密度。
式中
〜v
ar*2
ml.
a,
式中hhenry定律常数; re^摩尔气体常数;
t~热力学温度;
d =6pd(v)
-也
vt
d;
(2-36)
(2-37)
(2-38)
(2-39)
-聚合物的松弛时间;
-非牛顿气体-聚合物混合物的黏度。 dr' i 1 2/t ■
式中
+r*
奮領
—pmaajxpg
d:
(2-40)
(2-41)
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


气体浓度势函数的下降形式。

 

初始条件表示为

 

r(y'
=0):
(2-42)


 

边界条件表示为

iy*
w
sy'
aj
(r*
=di (p: -p^y
(2-43)
(2-44)
 



d; =hps                             (2-45)
式(2-31)是动量平衡方程,与maxwell黏弹性液体本构方程的分式(2-34)和分式 (2-37)关联。式(2-38)表示整个泡孔界面的质量平衡。式(2-40)表示气体从气体- 聚合物基体的外壳扩散到长大泡孔表面时的质量平衡[40_45]。由于注射成型过程中模具闭 合、注射速度快,所以其泡孔长大的边界条件可以通过假设气体没有损失而得以简化。
体系性能,如黏弹性、扩散性和基体密度等在模拟泡孔长大之前必须认真分析。气体与聚合物混合体系的黏度可参考第9章。此外,异相成核泡孔长大的初始泡孔半径将 被简化,采用均相成核模型。通常,c02发泡ps时将0.1 ~lfjlm直径作为初始临界泡 孔半径[s9]。尽管人们自〗917年就开始研究泡孔长大模型,但描述实际加工过程仍然需 要很多数据和理论完善。

2.快速预测最终泡孔尺寸的简单模型
已经建立了一个特别简单的模型用于注射成型,其有两个作用,一是描述初始泡孔 长大,二是在注射过程结束后预测最终泡孔尺寸。尽管上述模型提供了通用方程,但仍然不是很适合于快速注射成型。
研究发现,气体累积在聚合物-填料界面时,在泡孔长大的初始阶段泡孔长大速度快于未填充体系。预测长大至一定程度的泡孔的尺寸(可能引起可见的表面缺陷)可 以用于求出最短注射时间。在最短注射时间内,在表面长大的泡孔可能达不到使表面明显粗糖的可视尺寸。在注射成型中,填充与未填充聚合物体系的表面缺陷问题可以用第 9章的初始泡孔长大模型来解释。
在三种条件下泡孔长大被终止:膨胀的泡孔长大材料完全充满模具;材料建立 (冷却)起足够的刚性承受泡孔内气的压力;不再有充足的气体持续供应泡孔发泡。 这三个泡孔长大终止条件可用于理论模型或者泡孔长大计算的简化模型。
2.5.2泡孔尺寸分布
微孔曝气机注塑件的泡孔尺寸分布并不是真正均匀的,而是包括一定范围内的不同泡孔尺寸。为了比较微孔曝气机注塑件的泡孔尺寸分布宽度」多分散性指数(pdi)定义如下w]:

(2-46)
(2-47)
(2-48)
pdi:』

4
式中pdi——泡孔尺寸的多分散性指数; dn——数均泡孔直径; dw——重均泡孔直径。
数均泡孔直径定义为
重均泡孔直径定义为
]_i^i ua
式中 '——等直径泡孔的数量; d,——同样尺寸泡孔的直径。
2.5.3压力对泡孔尺寸的影响
批处理工艺中压力对泡孔尺寸影响的结果作为连续加工工艺的指导原则非常有用。 goel和beckman[43]研究了用压力诱发相分离方法来制备用c02饱和的pmma泡沫的工 艺。得到的泡沫中泡孔尺寸分布很窄,平均泡孔尺寸为0.5-lofwn。泡孔尺寸随着饱和 压力的升高(13.8~20.7mpa)而急剧减小,当压力达到27. 6mpa及以上时>],泡孔 尺寸保持在很小的值(大约0.5fxm)。而升温只能使平均泡孔尺寸梯度增大:41]。这就是 为什么大多数工业应用的微孔曝气机成型工艺都注重压力诱导发泡而不是温度变化的原因。
在微孔曝气机注射成型中也验证了同样的作用。n2发泡ps的sem照片也呈现出两个特 点:(2)机筒内的背压高达82.76mpa时,泡孔尺寸很小;②机筒内的背压低至6. 9mpa
:时.泡孔疋寸很大s用没有模具影响的对空注射来验证,因此结果源于两个可能的因素:压力降和背压在对空注射之前将气体-聚合翁单相溶液预压缩。喷嘴—盧打开,机 筒内的高背压就会产生更大齒压力降,从而如上所述_生更多的泡核,这是影响泡孔尺 寸_又一个因素。因此,有时批处理工艺必须给^铍工过程中每一个参数的独立作用结 果:但是,实际加工中会有一些综合结皋.眞常表现为;1^*因素作用的综合结果。
2.5.4     拉伸黏度对泡孔长大的影响
在泡孔,最大的最后阶段,熔体强度对于保持浪孔非常重要:it孔泡沫质量高的一个 表现就是拉伸黏度提高w’44、在充模过程中拉伸黏度变得越来越高.这就是听谓的应 变硬化或拉伸变厚,定义为瞬財拉伸黏度;应变速率一定时,在线性黏弹曲线之上产 生w。不词材料在充模阶段有不同的应变硬化效应。例如,据报道,线彤pp却戈靶 pp泡沫混合物比线形树脂本身有更好的应变硬化性能#。chaudhary和jayaraman'将 两种不同的pp/粘土纳米复合材料用于同一种线形聚丙烯中。两种粘土都是处理过的有机纳米粘急用量分别为又2%和%% (按质量分数计)。用量为7. 2%的有机纳米粘土 加人线形pp后成功地制备出全闭孔的微孔曝气机泡沫,且泡孔尺寸分布均匀。这种纳米复合 材料有两个明显特征:熔体表现出单询拉伸流动应变硬化,而且结晶温度高很多。然 m,另一种用量为8%的纳米粘土复合材料制得的微孔曝气机结构则不如7. 2%的好。但所有 纳米复合材料制得的泡孔结构都好于纯pp材料。
鲍尔环
阶梯环
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