Putošanas plaisu mehānismi PMI putās un pirms{0}}putošanas procesa optimizācija
Polimetakrilimīda (PMI) putām putošanas procesā bieži ir plaisāšana. Izmantojot procesu “pirms-polimēra mīkstināšana un balināšana — dzesēšana — atkārtota-putošana”, var ievērojami kavēt šo plaisāšanu. Šajā rakstā ir sistemātiski izskaidroti šo divu parādību pamatā esošie mehānismi no reakcijas principu un procesa kontroles viedokļa.
I. Plaisāšanas mehānismi PMI putu putošanas procesā
PMI putu putošana un sacietēšana ir sarežģīts process, kas savieno fizisko putošanu ar ķīmisko šķērssaistīšanu. Plaisāšanas būtība ir tāda, ka iekšējais spriegums putu korpusā (galvenokārt termiskais spriegums un sacietēšanas spriegums) pārsniedz putu matricas stiprības robežu šajā temperatūrā. Īpašus izraisošos faktorus var iedalīt šādos četros veidos:
1. Kinētiskā nelīdzsvarotība starp pūšanas līdzekļa iztvaikošanu un polimerizācijas reakciju
PMI putu sagatavošana parasti tiek sadalīta divos galvenajos posmos: iepriekšēja-polimēra sagatavošana un putošana/sacietēšana. Pirmajā posmā tiek veikta monomēru, piemēram, metakrilskābes (MAA), (met)akrilnitrila (MAN/AN) kopolimerizācija ar putošanas līdzekļiem, piemēram, formamīdu vai karbonātiem, lai iegūtu putojošu pre{2}}polimēru. Otrais posms izraisa vienlaicīgu putošanu un sacietēšanu ar karsēšanu, kas ietver divus galvenos procesus:
Fizikālais putošanas process:Putu līdzeklis karsējot iztvaiko, pre{0}}polimērā veidojot burbuļu kodolus, kas nepārtraukti izplešas, veidojot putu pamatstruktūru.
Ķīmiskā sacietēšanas process:Atlikušās nepiesātinātās dubultsaites pre-polimērā tiek pakļautas šķērssavienojuma polimerizācijai, savukārt imidizācijas ciklizācijas reakcija pastiprinās, palielinot molekulārās ķēdes stingrību un pabeidzot putu korpusa sacietēšanu.
Šo divu procesu kinētiskā atbilstība ir ļoti svarīga veiksmīgai putu veidošanai. Ja spiediena veidošanās ātrums no putošanas līdzekļa iztvaikošanas ievērojami pārsniedz stiprības attīstības ātrumu polimēra matricā, šūnu sienas plīsīs, jo nespēj izturēt iekšējo spiedienu, makroskopiski izpaužoties kā putu plaisāšana. Šī struktūras kļūme, ko izraisa kinētiskā nelīdzsvarotība, ir līdzīga trauslu materiālu lūzuma uzvedībai pie lielas slodzes slodzes.
2. Termiskā stresa koncentrācija, ko izraisa temperatūras gradienti
Pārāk ātrs sildīšanas ātrums vai nevienmērīgs temperatūras sadalījums putu krāsnī var radīt ievērojamus temperatūras gradientus putuplasta korpusa iekšpusē. Virsmas slānis, kas vispirms ir pakļauts augstas temperatūras videi, vienlaikus ierosina putošanas un sacietēšanas reakcijas, veidojot stingru apvalku. Turpretim kodols siltuma vadīšanas aizkavēšanās dēļ uzsilst lēnāk, un tā putošanas process ievērojami atpaliek no virsmas. Kad putu līdzeklis serdē sāk spēcīgi iztvaikot, radot izplešanās spēku, jau -sacietējušais virsmas slānis nevar nodrošināt pietiekamu deformācijas telpu. Tas izraisa mainīgu stiepes un spiedes termisko spriegumu putuplasta korpusā. Kad šis spriegums pārsniedz putu izturību pret plīsumiem, sprieguma koncentrācijas zonās, parasti serdes un virsmas slāņa saskarnē, veidojas biezuma plaisas.
3. Iekšējā stresa superpozīcija cietēšanas ātruma atšķirību dēļ
Imidizācijas reakcija, PMI putu cietināšanas pamatreakcija, būtībā ir dehidratācijas ciklizācijas process starp molekulārajām ķēdēm. Šī reakcija atbrīvo ūdens molekulas, vienlaikus ievērojami palielinot polimēra ķēdes stingrību un stiklošanās temperatūru (Tg). Ja temperatūras sadalījums putuplasta korpusā ir nevienmērīgs, tas izraisa gradienta atšķirības imidizācijas reakcijas ātrumā: virsma reaģē pilnīgāk, ar lielāku šķērssaites blīvumu, moduli un saraušanos; kodols reaģē lēnāk, ar mazāku šķērssaites blīvumu, moduli un saraušanos. Šī nevienlīdzība sacietēšanas pakāpē rada sacietēšanas spriegumu putuplasta korpusā, kas pārklājas ar termisko spriegumu, vēl vairāk palielinot plaisāšanas risku.
4. Šūnu struktūras defektu stresa pastiprināšanas efekts
Ja pirms-polimēra sagatavošanas posmā rodas tādas problēmas kā putojošā līdzekļa nevienmērīga izšķīšana, nepietiekams kodolu veidošanās vietu skaits vai nevienmērīgs sadalījums, putošanas laikā tās var izraisīt bojātas struktūras, piemēram, lielas šūnas, plašu šūnu izmēru sadalījumu vai slēgtu un atvērtu šūnu sajaukumu. Saskaņā ar materiālu mehānikas teoriju, neviendabīgās šūnu struktūrās lielu šūnu malas un šūnu savienojumi kļūst par sprieguma koncentrācijas avotiem, kur lokālais spriegums var būt 3–5 reizes lielāks par vidējo spriegumu. Vienlaikus šādu konstrukciju kopējā mehāniskā izturība ir ievērojami samazināta, padarot tās pakļautas lokālam plīsumam zem iekšējā gāzes spiediena, kas var izplatīties makroskopiskās plaisās.
Rezumējot, PMI putu plaisāšanas pamatmehānismu putošanas laikā var apkopot šādi: kinētiskā konkurences nelīdzsvarotība starp "gāzes spiediena veidošanos" un "polimēra matricas stiprības attīstību" putošanas laikā, kopā ar uzliktiem iekšējiem spriegumiem, ko izraisa temperatūras gradienti un sacietēšanas atšķirības, un spriedzes pastiprināšanas efekts, kas rodas šūnu struktūras plaisāšanas rezultātā, kas izraisa makro defektus.
II. Pre-Pre-putošanas process (mīkstināšanas-dzesēšanas apstrāde)
Process "iepriekš{0}}polimēra atdzesēšana pēc mīkstināšanas un balināšanas un pēc tam atkārtoti putošanās" PMI putu rūpnieciskajā ražošanā ir definēts kā "Pirms-putošanas kondicionēšana". Šis process attiecas uz putu plaisāšanu, ko rada trīs dimensiju -šūnu kodolu veidošanās kontrole, matricas pastiprināšana un spriedzes relaksācija,{5}}veicot kontrolētu pre-polimēra termofizikālo apstrādi. Tās specifiskie darbības mehānismi ir šādi:
1. Vienveidīgu mikroburbuļu kodolu pirms-izvietošana un stabilizēšana
Apstrādes pirms-putošanas galvenais efekts ir vienmērīga mikroburbuļu Tomēr šajā brīdī polimēru matrica joprojām saglabā relatīvi augstu viskozitāti, ļaujot matricā stabilizēt mazos burbuļus, kas rodas iztvaikošanas rezultātā, izmantojot saskarnes spriegumu, veidojot vienmērīgi sadalītus mikroburbuļu kodolus ar blīvumu 10³-10⁴ uz cm³. Šo daudzo mikroburbuļu kodolu gaismas izkliede izraisa sākotnēji caurspīdīgo prepolimēru, kas izskatās balts un necaurspīdīgs - "mīkstināšanas un balināšanas" parādība.
Sekojošais dzesēšanas process vēl vairāk palielina polimēra matricas viskozitāti, fiksējot mikroburbuļu kodolu telpisko stāvokli un morfoloģiju (gāze var daļēji izšķīst, bet kodolu saskarnes struktūra tiek saglabāta). Formālās putošanas stadijā šie iepriekš-ievietotie mikroburbuļu kodoli kļūst par "aktīvām vietām" prioritārai gāzes ģenerēšanai un paplašināšanai, nodrošinot šūnu augšanu "vienādas kodolēšanas" režīmā. Tas ļauj izvairīties no nevienmērīga šūnu izmēra problēmām, ko izraisa nejauša kodola veidošanās. Vienmērīga un smalka šūnu struktūra ļauj vienmērīgi sadalīt iekšējo spriegumu, ievērojami samazinot sprieguma koncentrācijas efektus un uzlabojot putu korpusa izturību pret plīsumiem.
2. Sākotnējās matricas stipruma pirms-konstruēšana
Pirms-putošanas apstrādes laikā pre-polimērs karstuma ietekmē tiek pakļauts divu veidu ķīmiskām izmaiņām: pirmkārt, atlikušo nepiesātināto dubultsaišu sākotnējās šķērssaistīšanas reakcijas, veidojot zema-šķērssaites-blīvuma tīkla struktūru; otrkārt, imidizācijas reakcijas uzsākšana, kur molekulārās ķēdes sāk veidot gredzenveida struktūras, un matricas modulis lēnām palielinās. Šīs divas reakcijas kopā veido polimēra matricas "sākotnējās stiprības skeletu", palielinot pre-polimēra sākotnējo stiepes izturību no 0,8–1,2 MPa līdz 2,5–3,0 MPa.
Nākamajā formālajā putošanas stadijā matrica ar sākotnējo stiprību var efektīvi pretoties sākotnējam spiediena triecienam, ko izraisa putu līdzekļa iztvaikošana. Tas nodrošina, ka "matricas stiprības pieauguma ātrums" konsekventi noved pie "gāzes spiediena pieauguma ātruma", atrisinot kinētiskās atbilstības nelīdzsvarotību tās saknē. Tas nodrošina laika logu vienmērīgai šūnu paplašināšanai un pilnīgai sacietēšanai.
3. Sākotnējo iekšējo stresu relaksācija un pārdale
Iekšējie spriegumi (parasti 0,3-0,5 MPa) var palikt pre-polimērā no tā sagatavošanas posmiem (kopolimerizācija un liešana) tādu faktoru dēļ kā molekulārās ķēdes orientācija un tilpuma saraušanās. Sildīšanas process pirmsputošanas apstrādes laikā uzlabo polimēru ķēdes segmentu mobilitāti, ienesot materiālu "ļoti elastīgā stāvoklī". Atlikušos iekšējos spriegumus atslābina ķēdes segmentu pārkārtošana, potenciāli samazinot sprieguma līmeni līdz zem 0,1 MPa.
Vienlaikus mikroburbuļu kodolu veidošanās un neliela paplašināšanās būtībā ietver matricas lokālu plastisko deformāciju. Šis process var absorbēt daļu iekšējās stresa enerģijas un panākt stresa pārdali, pārorientējot molekulārās ķēdes ap burbuļu kodoliem. Efektīva iekšējā sprieguma relaksācija ļauj pre-polimēram labāk izturēt termiskos un sacietēšanas spriedzi formālās putošanas stadijā, samazinot plaisāšanas risku sprieguma superpozīcijas dēļ.
4. Putošanas līdzekļa dispersijas homogenizācija
Pirms-polimēra sagatavošanas laikā pūšamie līdzekļi var veidot lokālus koncentrācijas gradientus (īpaši biezu -sienu lietajos iepriekš{2}}polimēros) difūzijas ātruma atšķirību dēļ. Apstrādes pirms-putu veidošanas "sildīšanas-dzesēšanas" cikls pakļauj putošanas līdzekli "iztvaikošanas-migrācijas-atkārtotai šķīdināšanai": karsējot, putu līdzeklis iztvaiko un izkliedējas pa koncentrācijas gradientiem; pēc atdzesēšanas tas atkārtoti izšķīst polimēra matricā. Šis process efektīvi novērš potenciālos putošanas līdzekļa koncentrācijas gradientus pre-polimērā, panākot vienmērīgu putojošā līdzekļa izkliedi polimēra matricā. Tas ļauj izvairīties no pārmērīgas lokālas šūnu izplešanās, ko izraisa lokalizēts pārmērīgs putošanas līdzeklis.
5. Procesa optimizācijas pamatvērtības kopsavilkums
No procesa kontroles viedokļa apstrāde pirms-putošanas būtiski uzlabo formālās putošanas stabilitāti, izmantojot "mēģinājuma-optimizācijas" mehānismu. Tiešā putošanas procesā pre-polimērs vienlaikus tiek pakļauts daudzkārtējai intensīvai izmaiņām-putošanai, šķērssavienojumam un ciklizācijai- augstās temperatūrās, tādēļ tas ir pakļauts plaisāšanai sliktas procesa sinerģijas dēļ. Turpretim apstrāde pirms-putošanas, izmantojot maigu kondicionēšanu zemākās temperatūrās, jau iepriekš pabeidz galvenās optimizācijas darbības: vienmērīgu kodolu veidošanu, stiprības priekšiestatījumu-un stresa relaksāciju. Šis process var absorbēt daļu iekšējās stresa enerģijas un panākt stresa pārdali, pārorientējot molekulārās ķēdes ap burbuļu kodoliem. Tas piešķir pre-polimēram izcilu sākotnējo stāvokli-"strukturāli viendabīgu, pietiekami stipru un spriedzi-vadāmu"-formālajai putošanas stadijai, tādējādi panākot neplaisājošu{15}putu veidošanos.
Tāpēc apstrāde pirms-putošanas ir PMI putu ražošanas pamatprocess, lai panāktu "šūnu struktūras kontroli — reakcijas ātruma saskaņošanu — iekšējā stresa pārvaldību". Tam ir neaizvietojama loma produkta ražas un veiktspējas stabilitātes uzlabošanā. Lai turpinātu optimizēt konkrētus procesa parametrus (piemēram, pirms-putošanas temperatūru, turēšanas laiku, dzesēšanas ātrumu utt.), var veikt mērķtiecīgus eksperimentus, pamatojoties uz iepriekš-polimēra sastāvu un vēlamajām putu veiktspējas prasībām.
