界面更新条件下超临界CO2在聚合物熔体中的溶解行为和机理研究

Based on the dynamic dissolution process of supercritical CO2 in polymer melts in the formation of polymer/supercritical CO2 solution of continuous microcellular foaming,the mechanism of "adsorption-diffusion and adsorption-burying" is presented,i.e. the diffusion process of interfacial absorbed CO2 diffused into the melts and the burying process of interfacial absorbed CO2 buried into the melts due to the interfacial renewal.According to the mechanism, a experimental device with changeable mixing units will be set up to carry out the dynamic dissolution experiments of supercritical CO2 in polymer melts. The mutual influence between the shear rate, rheological properties of the solution and the dissolution and solubility and the effect of processing parameters such as temperature, pressure, rotational speed and the mixing units on the dissolution rate could be investigated. On the basis of the theory of interfacial adsorption and interfacial mass transfer and the mechanism of "adsorption-diffusion and adsorption-burying", the dissolution and dissolution rate prediction model of supercritical CO2 in polymer melts will be established with account of interfacial renewal exerted by mixing units and the numerical analysis method will be approached, hence, the numerical simulation could be carried out to reveal the mechanism of dissolution and diffusion of supercritical CO2 in polymer melts after the correction and improvement of the model by the experiments. The study of the project will develop the theory about the dissolution and diffusion of CO2 in polymer melts and provide a scientific basis for the structure designing of mixing units and the drawing up of processing parameters.

基于微孔塑料连续成型的均相体形成时超临界CO2在聚合物熔体中的溶解过程，提出"吸附-扩散和吸附-翻埋"溶解机理，即界面吸附的CO2向聚合物熔体内部的扩散过程和界面吸附的CO2通过界面更新被翻埋进聚合物熔体内部的翻埋过程。据此建立可更换混合元件的溶解行为研究实验装置并实验，研究不同温度、压力条件下剪切速率、均相体流变性能与溶解度、溶解量之间的相互影响以及温度、压力、转速等工艺参数和混合元件结构对溶解速度的影响规律。根据界面吸附、界面传质理论及界面更新条件下"吸附-扩散和吸附-翻埋"溶解机理，建立超临界CO2在聚合物熔体中的溶解量和溶解速度预测模型，研究相应的数值方法，在实验验证的基础上进行数值模拟分析，揭示界面更新条件下超临界CO2在聚合物熔体中的溶解、扩散机理。项目的研究将丰富和发展CO2在聚合物熔体中溶解和扩散的相关理论，为微孔塑料成型的混合元件合理设计、工艺参数合理制定提供科学依据。

微孔塑料由于其独特的结构而具有许多优越的综合性能，比如质量轻、冲击强度高、韧性好、传导率低，隔音和隔热效果优等，有非常广泛的应用前景，微孔塑料连续成型是今后工业化应用的主要方向，而微孔塑料连续成型中聚合物/CO2 均相体需在很短时间内形成，同时影响着后续的气泡成核、泡孔分布与长大，是成型的关键，这个过程中需要合理确定超临界CO2 的流量，流量的合理确定要以超临界CO2 在聚合物熔体中溶解量的准确计算为基础，需要提高超临界CO2在聚合物熔体中的溶解速度，溶解速度的增加依赖于工艺参数的合理制定、螺杆和混合元件结构的合理设计。这些都需要建立在对动态条件下的超临界CO2 在聚合物熔体中溶解过程的深刻理解及溶解量和溶解速度的准确计算基础上。项目建立了超临界CO2在聚合物熔体中溶解的实验装置，该装置包括供气系统、保压系统、加热保温系统、搅拌系统和数据采集系统组成，以PS为研究对象，通过实验分别进行了无搅拌元件和有不同搅拌元件搅拌时的不同温度、不同压力下超临界CO2在聚合物熔体中的溶解行为实验研究，得到了不同温度、不同压力对溶解量、溶解速度的影响关系曲线，分析了熔体温度、超临界CO2压力、剪切速率对溶解速度的影响以及其与熔体流变性能的影响关系，表明均相体黏度随超临界CO2的溶解量、温度、剪切速率增加而减小，溶解量随超临界CO2压力的增加而增加，随温度的增加而降低；分别建立了基于混沌理论和自适应策略、基于聚类方法、基于扩散机制和基于吸附、扩散和翻埋的溶解量预测模型并利用溶解量预测模型进行了溶解量的预测分析；基于分子动力学，从微观角度出发揭示了超临界CO2在聚合物熔体中扩散行为，通过对超临界CO2在聚合物熔体中溶解的扩散系数进行模拟计算，得出不同条件下的溶解速度。