اثر پايدارسازي بر ساختار اسفنج گرمانرم پلي‌استيرن و كربن دي اكسيد ابربحراني

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

براي توليد اسفنج ميكروسلولي گرمانرم در سامانه ناپيوسته، عامل اسفنج‌ساز فيزيكي در فشار و دماي بيش زياد از شرايط بحراني آن در پليمر تا حدي حل شده و در اثر كاهش فشار سريع در مخلوط، طي سه مرحله هسته‌گذاري، رشد و بهم‌پيوستگي، ساختار اسفنج شكل مي‌گيرد. اگر پس از كاهش فشار، دماي اسفنج ­شدن به كمتر از دماي انتقال شيشه‌اي مخلوط پليمر و گاز كاهش يابد، سلول‌ها نمي‌توانند رشد كنند. اين مرحله پايدارسازي ناميده شده كه تاكنون در سامانه‌هاي توليد اسفنج ناپيوسته تك ­مرحله­ اي توجهي به آن نشده است. در اين مقاله از پلي­ استيرن به همراه گاز ابربحراني كربن دي‌اكسيد به­ عنوان حلال در فشارMPa 5/18 و دماهاي مختلف استفاده شده است. عمليات پايدارسازي با دقت زماني ميلي‌ثانيه انجام شده كه باعث شناخت جديدي از سازوكار شكل‌گيري ساختار سلول در اسفنج‌هاي گرمانرم شده است. در اين سازوكار، هسته‌گذاري ناشي از انتقال فاز مولكول‌هاي حلال از حالت بحراني به حالت گاز و شكل‌گيري هسته­ هاي بسيار كوچك حاوي مولكول‌هاي گاز در ميان زنجيرهاي پليمر است. در ادامه انرژي ناشي از تمايل رشد هسته‌ها در برابر انرژي كشساني زنجيرهاي پليمر قرار گرفته و غلبه هريك از اين انرژي‌ها معين‌كننده اندازه سلول است. با توجه به نتايج اين مقاله، نحوه اثرگذاري مرحله تثبيت روي ساختار اسفنج بستگي به دماي اسفنج‌‌شدن دارد. در دماي° 110 عمليات تثبيت سبب كاهش %50 اندازه سلول و افزايش %60 چگالي سلولي شده است. در حالي كه در دماهاي كمتر عمليات تثبيت سبب افزايش اندازه سلول و كاهش چگالي سلول شده است.

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.