اثر پایدارسازی بر ساختار اسفنج گرمانرم پلی‌استیرن و کربن دی اکسید ابربحرانی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 14-14115

چکیده

برای تولید اسفنج میکروسلولی گرمانرم در سامانه ناپیوسته، عامل اسفنج‌ساز فیزیکی در فشار و دمای بیش زیاد از شرایط بحرانی آن در پلیمر تا حدی حل شده و در اثر کاهش فشار سریع در مخلوط، طی سه مرحله هسته‌گذاری، رشد و بهم‌پیوستگی، ساختار اسفنج شکل می‌گیرد. اگر پس از کاهش فشار، دمای اسفنج ­شدن به کمتر از دمای انتقال شیشه‌ای مخلوط پلیمر و گاز کاهش یابد، سلول‌ها نمی‌توانند رشد کنند. این مرحله پایدارسازی نامیده شده که تاکنون در سامانه‌های تولید اسفنج ناپیوسته تک ­مرحله­ ای توجهی به آن نشده است. در این مقاله از پلی­ استیرن به همراه گاز ابربحرانی کربن دی‌اکسید به­ عنوان حلال در فشارMPa  5/18 و دماهای مختلف استفاده شده است. عملیات پایدارسازی با دقت زمانی میلی‌ثانیه انجام شده که باعث شناخت جدیدی از سازوکار شکل‌گیری ساختار سلول در اسفنج‌های گرمانرم شده است. در این سازوکار، هسته‌گذاری ناشی از انتقال فاز مولکول‌های حلال از حالت بحرانی به حالت گاز و شکل‌گیری هسته­ های بسیار کوچک حاوی مولکول‌های گاز در میان زنجیرهای پلیمر است. در ادامه انرژی ناشی از تمایل رشد هسته‌ها در برابر انرژی کشسانی زنجیرهای پلیمر قرار گرفته و غلبه هریک از این انرژی‌ها معین‌کننده اندازه سلول است. با توجه به نتایج این مقاله، نحوه اثرگذاری مرحله تثبیت روی ساختار اسفنج بستگی به دمای اسفنج‌‌شدن دارد. در دمای° 110 عملیات تثبیت سبب کاهش %50 اندازه سلول و افزایش %60 چگالی سلولی شده است. در حالی که در دماهای کمتر عملیات تثبیت سبب افزایش اندازه سلول و کاهش چگالی سلول شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Stabilization on Morphology Polystyrene and Supercritical Carbon Dioxide Thermoplastic Foams

نویسندگان [English]

  • Mozafar Mokhtari Motameni Shirvan
  • Mohammad Hossein Navid Famili
Polymer Engineering Group, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-143, Tehran, Iran
چکیده [English]

Microcellular thermoplastic foams can be usually produced in a one-step batch system using a physical foaming agent which is dissolved in a polymer system under specific pressure and temperature, higher than the critical condition of solvent and the glass transition temperature of polymer and solvent mixture. By application of a sudden pressure drop the foam structure is formed through stages of nucleation, growth and coalescence. After pressure drop, if the foam temperature is reduced below the glass transition of the gas-polymer mixture, the cells stop growing which results in a foam with stabilized morphology. This stabilization stage has not been thoroughly focused in previous studies. In this work, polystyrene as a polymer system and supercritical carbon dioxide as a solvent were used at 18.5 MPa pressure and different temperatures. The stabilization process took place within milliseconds and helped to a better understanding of cellular structure in thermoplastic foams. In this mechanism, the nucleation takes place in the phase transition of solvent molecules at supercritical state to the gas state and the formation of very small nuclei containing gas molecules between polymer chains. The energy originated from the nuclei growth is in competition with the elastic energy of polymer chains, and the predominance of one type of energy over another determines the final cell size. The results showed that the effect of stabilization process on the structure of the foam depended on the foaming temperature. Stabilization at 110°C resulted in a 50% cell size reduction and a 60% cell density promotion, while at lower temperatures, the stabilization led to greater cell size and reduced cell density.

کلیدواژه‌ها [English]

  • thermoplastic microcellular foam
  • stabilization
  • temperature
  • foam morphology
  • nucleation