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無機(jī)粒子對TPAE界面張力、發(fā)泡、抗收縮行為的影響（四）
來源：《北京化工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》 瀏覽 296 次 發(fā)布時間:2024-11-14
在泡孔成核階段，相對于Talc，由于CaSiO3與TPAE的高界面張力會降低異相成核能壘和CO2傾向于聚集在不相容的兩相界面處的兩方面共同作用，使得CaSiO3與TPAE界面區(qū)域的成核數(shù)遠(yuǎn)高于Talc。同時發(fā)泡溫度接近TPAE的熔點(diǎn)，TPAE相的表面張力遠(yuǎn)低于無機(jī)粒子分散相的表面張力，因此泡孔會傾向于向TPAE基體相生長，而這種具有一定取向的泡孔生長更容易實(shí)現(xiàn)開孔結(jié)構(gòu)。
隨后相比較于Talc與TPAE之間良好的相容性，TPAE基體與CaSiO3分散相界面間的相互作用十分微弱，CaSiO3粒子會更容易從泡孔壁的黏接作用中脫落，形成細(xì)小的孔洞，而隨著泡孔的進(jìn)一步生長，孔洞也會逐漸擴(kuò)大，從而形成具有高開孔率的TPAE/CaSiO3復(fù)合物開孔泡沫。
與TPAE基體存在較高界面張力的無機(jī)粒子更傾向于促進(jìn)開孔結(jié)構(gòu)的形成，但界面張力的大小不是影響TPAE泡沫高開孔率的唯一因素，因此本研究詳細(xì)分析了TPAE/無機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的開孔率與界面張力以及粒子在基體中密度的相關(guān)性，并對結(jié)果進(jìn)行了擬合分析，如圖9所示。
無機(jī)粒子與TPAE具有較高界面張力，并且粒子在TPAE基體中的分布密度較大時，復(fù)合物傾向于形成具有更高開孔率的泡沫。其中對于TPAE/CaSiO3復(fù)合物，CaSiO3的團(tuán)聚現(xiàn)象導(dǎo)致的粒子尺寸增加也對泡沫的開孔率產(chǎn)生改善效果。此現(xiàn)象的理論依據(jù)可追溯至Vollenberg和Heikkinen提出的關(guān)于脫黏所需起始應(yīng)力的公式（8）
σT分別是脫黏應(yīng)力和熱應(yīng)力，Pa；WAB是黏結(jié)可逆功，J·m2；E是基體的楊氏模量，Pa；R是顆粒半徑，m；C1，C2是常數(shù)。
式（8）揭示了起始脫黏應(yīng)力受到粒子與基體間黏接強(qiáng)度（即界面張力）、楊氏模量以及顆粒尺寸的共同影響。隨著顆粒尺寸和界面張力的增加，脫黏所需的起始應(yīng)力降低，導(dǎo)致由顆粒脫黏引發(fā)的空隙會隨著更高的泡孔壁的拉伸變形速率而增加。對于TPAE/CaCO3、TPAE/CaSiO3及TPAE/WI這3種復(fù)合物，由于其較高的界面張力或較大的粒子直徑，促使分散相從TPAE基體中的脫落更為容易，較高的粒子密度導(dǎo)致異相成核位點(diǎn)增多，進(jìn)而顯著提升泡孔密度和減少泡孔壁厚，泡沫生長過程中拉伸應(yīng)變速率的提高使泡孔壁所承受的拉伸應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致復(fù)合物泡沫的開孔率進(jìn)一步增加。其中，TPAE/WI復(fù)合物因在界面張力以及粒子分布密度上的雙重優(yōu)勢而具有最高的開孔率。
2.4 TPAE/無機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的尺寸穩(wěn)定性
彈性體發(fā)泡材料的收縮問題是普遍存在的，這嚴(yán)重限制了泡沫的實(shí)際應(yīng)用。分析了185℃時TPAE/無機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的尺寸穩(wěn)定性，結(jié)果如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，純TPAE的發(fā)泡倍率雖然高達(dá)22倍，但是由于負(fù)壓和材料自身剛性不足的影響，發(fā)泡倍率隨時間急劇下降，TPAE泡沫出現(xiàn)嚴(yán)重的收縮變形。而無機(jī)粒子的加入可提高TPAE/無機(jī)粒子復(fù)合泡沫的尺寸穩(wěn)定性。相比較于Talc，CaCO3、CaSiO3、WI的改善效果尤其顯著，這3種復(fù)合物泡沫的發(fā)泡倍率隨時間基本不發(fā)生變化，收縮現(xiàn)象明顯改善。
圖11為185℃時TPAE/無機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的收縮率和開孔率。可以看出，相比較于純TPAE和TPAE/Talc泡沫，其他3種復(fù)合物泡沫具有更高的開孔率和更低的收縮率，表明開孔結(jié)構(gòu)的形成和開孔率的增加是提高TPAE泡沫尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。
圖10 TPAE/無機(jī)粒子復(fù)合物的發(fā)泡倍率隨時間的變化曲線
圖11 185℃時TPAE/無機(jī)粒子泡沫的收縮率與開孔率
這是因?yàn)殚_孔結(jié)構(gòu)能夠允許CO2和空氣在泡孔中自由通過，并且開孔率越高，CO2和空氣進(jìn)行置換的速率越接近，使得CO2流出泡沫速度與空氣流入泡沫速度之間的差異越小，從而避免了較大壓差導(dǎo)致的泡沫收縮。
圖12展示了4種TPAE/無機(jī)粒子泡沫熟化后的發(fā)泡倍率隨溫度變化的情況。結(jié)果表明，相較于純TPAE，4種復(fù)合物泡沫的最終發(fā)泡倍率均有所增加，其中TPAE/CaCO3、TPAE/CaSiO3及TPAE/WI顯著提升。已知影響發(fā)泡倍率的主要因素有發(fā)泡劑的溶解度和聚合物的流變性能。由于無機(jī)粒子的添加量較少，基本不會影響CO2在復(fù)合物中的溶解度及流變性能。因此TPAE/無機(jī)粒子復(fù)合物的初始發(fā)泡倍率與純TPAE基本一致，但無機(jī)粒子的添加會促進(jìn)TPAE形成開孔結(jié)構(gòu)，尤其是CaCO3、CaSiO3以及WI可使TPAE形成高開孔率的泡沫，減小了泡沫的收縮，使得完全熟化后的發(fā)泡倍率遠(yuǎn)高于TPAE，大大提高了TPAE的發(fā)泡性能。
3結(jié)論
（1）揭示了無機(jī)粒子促使復(fù)合物泡沫形成開孔結(jié)構(gòu)的機(jī)制，即通過兩相界面粘接的脫離以及降低非均相成核能壘提高泡孔密度，從而使微孔連通形成開孔結(jié)構(gòu)。且復(fù)合物泡沫的開孔率會隨著無機(jī)粒子與TPAE基體之間的界面張力、無機(jī)粒子的直徑以及分布密度的增加而增加。
（2）相對于Talc，CaCO3、CaSiO3、WI這3種無機(jī)粒子可使TPAE形成開孔率在90%以上的復(fù)合物泡沫，發(fā)泡倍率由純TPAE的10倍增加到20倍左右，收縮率從66%降至5%以下，明顯改善了TPAE泡沫的尺寸穩(wěn)定性；并且無機(jī)粒子的添加，使得復(fù)合物泡沫的泡孔直徑降低，泡孔密度增加。
無機(jī)粒子對TPAE界面張力、發(fā)泡、抗收縮行為的影響（一）
無機(jī)粒子對TPAE界面張力、發(fā)泡、抗收縮行為的影響（二）