充有发泡剂的聚丙烯熔体中的溶解度及菲克扩散系数

《Polymer》：Solubilities and Fick Diffusion Coefficients in Blowing-Agent-Loaded Polypropylene Melts

　　

帕特里克·S·施密特（Patrick S. Schmidt）| 尤利乌斯·H·扬德（Julius H. Jander）| 苏克拉蒂·古普塔（Sukrati Gupta）| 马塞尔·拉特卡（Marcel Ratka）| 克里斯蒂安·邦滕（Christian Bonten）| 托比亚斯·克莱因（Tobias Klein）| 安德烈亚斯·P·弗罗巴（Andreas P. Fr?ba）

德国埃尔朗根-纽伦堡大学（Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg, FAU）化学与生物工程系（Department of Chemical and Biological Engineering, CBI）及先进光学技术研究生院（Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies, SAOT）高级光学技术研究所－热物理性质研究组（Institute of Advanced Optical Technologies ? Thermophysical Properties, AOT-TP），地址：Paul-Gordan-Stra?e 8, 91052 Erlangen, Germany

摘要

为了准确模拟物理发泡过程中含发泡剂聚合物熔体的气泡生长情况，需要在过程相关条件下获取准确的发泡剂溶解度数据及其Fick扩散系数D₁₁。本文通过测量发泡剂含量w_solute和D₁₁，研究了在过程相关温度T和压力p下的含发泡剂聚丙烯（PP）熔体特性。为了建立全面的结构-性能关系，实验中使用了线性聚丙烯（linPP）或长链支化聚丙烯（lcbPP）的二元混合物，以及与其混合溶解了氮气（N₂）、二氧化碳（CO₂）或1,1,1,2-四氟乙烷（R134a）的三元混合物。在433至533 K的温度范围内和相应发泡剂质量分数w_N2 ≤ 2%以及（w_CO2 或 w_R134a） ≤ 8%的压强下进行了研究。采用等容饱和法（ISM）来确定w_solute，并结合轴对称滴形分析（ADSA）来评估体积膨胀率S_w。为了测定D₁₁及相应的w_solute，应用了动态光散射（DLS）技术，并结合偏振差分拉曼光谱（PDRS）技术（后者使用ISM测得的w_solute数据进行校准）。研究表明，DLS技术适用于研究基于聚合物的二元混合物，所得扩散系数可以解释为表征发泡剂在熔融聚合物中的扩散质量传递的准二元扩散系数。对于所研究的体系，发现D₁₁与w_solute呈独立关系，且不同类型的PP对其没有显著影响。

章节摘录

引言

在许多应用中，热塑性聚合物泡沫因其优异的性能（如良好的隔音和隔热性能）而备受青睐[1], [2], [3]。在物理发泡过程中，将气态发泡剂注入热塑性聚合物的熔体中，并在挤出过程中使其均匀分布。当熔体通过模具挤出时，会产生含有发泡剂的泡沫。

材料

表1总结了所用气体和PP样品的规格，包括气体的分子量M以及纯度（以质量分数y或体积分数φ表示）。对于PP样品，报告了它们的数平均分子量M_n和质量平均分子量M_w。

选定的linPP类型Moplen HP400H和lcbPP类型Daploy? WB140HMS的混合物中，通过配比方式制备了不同质量分数w_lcbPP（分别为10%、25%、50%和75%）的样品。

等容饱和法（ISM）

在本研究中，应用等容饱和法（ISM）确定了含发泡剂PP熔体中的w_solute。ISM实验中获得的w_solute数据将用于后续PDRS实验的校准，以便同时测定混合物的组成。

**理论背景**：本文详细介绍了ISM的原理、基础工作方程及其在确定w_solute中的应用。

结果与讨论

本文总结了使用不同实验技术获得的热物理性质数据，并讨论了这些数据与T、p以及混合物组分分子特性的关系。此外，还将实验结果与现有文献数据进行了比较。首先介绍了使用ISM测定w_solute所需的S_w数据，随后进行了讨论。

结论

本研究采用多种实验技术，全面表征了含发泡剂PP熔体的性质，测定了其在不同热力学状态下的S_w、w_solute和D₁₁。研究范围包括温度T在433至533 K、压力p在相应发泡剂质量分数w_N2 ≤ 2%以及（w_CO2 或 w_R134a） ≤ 8%的条件。实验对象包括基于linPP或lcbPP的二元混合物，以及不同w_lcbPP比例的三元混合物。

数据可用性

本研究获得的所有原始数据均已以数据集的形式公开发布在以下链接：[http://zenodo.org](http://zenodo.org)，遵循Creative Commons Attribution许可协议。数据集包含原始拉曼光谱、DLS实验的相关函数、ISM实验的温度和压力数据、ADSA实验的图像，以及每个温度T和压力p下的光束偏转值Δy。

CRediT作者贡献声明

帕特里克·塞巴斯蒂安·施密特（Patrick Sebastian Schmidt）： 负责撰写初稿、数据可视化、实验研究、数据分析、概念构建。马塞尔·拉特卡（Marcel Ratka）： 负责撰写初稿、实验研究、数据分析。克里斯蒂安·邦滕（Christian Bonten）： 负责审稿与编辑、项目监督、资金申请。尤利乌斯·汉斯·扬德（Julius Hans Jander）： 负责撰写初稿、数据可视化、实验研究、数据分析、概念构建。苏克拉蒂·古普塔（Sukrati Gupta）： 负责撰写初稿、实验研究、数据分析。

资助来源

本研究得到了德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG）的支持，项目编号为510591037。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能的利益冲突/个人关系：

安德烈亚斯·保罗·弗罗巴（Andreas Paul Froeba）表示获得了德国研究基金会的财政支持。其他作者声明没有任何已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢埃尔朗根高级光学技术研究生院（SAOT）以及巴伐利亚州科学与艺术部（Bavarian State Ministry for Science and Art）的资助。