مروری بر جنبه های ترمودینامیکی اسفنج های گرمانرم

نوع مقاله: مروری

نویسندگان

گروه مهندسی پلیمر، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

در دو روش رایج برای تولید اسفنج‌های بسپاری، از عامل‌های اسفنج‌ساز شیمیایی و فیزیکی استفاده می‌شود. عامل اسفنج‌ساز فیزیکی در فشار و دمای بالاتر از شرایط بحرانی آن، تا حدی در بسپار حل شده و در اثر ایجاد افت فشار سریع یا افزایش دما در مخلوط، طی سه مرحله هسته‌گذاری، رشد و به ­هم‌ پیوستگی، ساختار اسفنج شکل می‌گیرد. در مرحله هسته‌گذاری، در اثر ایجاد فراسیر ‌شدگی، ناپایداری ترمودینامیکی در مخلوط‌ ایجاد شده که موجب تمایل مولکول‌های حلال برای انتقال فازی از حالت فوق‌بحرانی به حالت گاز در جهت کاهش ناپایداری می‌شود. با غلبه بر سدی از انرژی، انرژی آزاد سامانه کاهش یافته و هسته ­های پایداری از مولکول‌های گاز در حجم‌های آزاد بین زنجیرهای بسپارشکل می‌گیرند. با نفوذ مولکول‌های گاز به درون هسته‌ها، رشد و به ­هم پیوستگی آن­ ها رخ می ­دهد که سرانجام رشد متوقف شده و ساختار اسفنج تثبیت می‌شود. با افزایش بازده مرحله هسته‌گذاری، تعداد هسته‌های پایدار بیش ­تری ایجاد شده و میزان رشد و به­ هم‌ پیوستگی آنها نیز کاهش می‌یابد. بنابراین پیش‌بینی میزان سته‌گذاری عاملی مهم در کنترل ساختار اسفنج‌های گرمانرم بوده و بررسی مرحله هسته‌گذاری به کمک نظریه‌های هسته‌گذاری انجام‌پذیر است. نظریه کلاسیک هسته‌گذاری روش اصلی و اولیه بررسی پدیده هسته‌گذاری در اسفنج‌های گرمانرم بوده که به دلیل ناهمخوانی مناسب نتیجه­ های آن با نتیجه­ های آزمایشگاهی، اصلاحاتی بر روی آن آنجام شده است. همچنین نظریه‌های رقیب دیگری همچون نظریه‌های عاملیت چگالی و میدان خودسازگار نیز
به ­وجود آمده‌اند. هدف اصلی این مقاله مروری، بررسی جامع نظریه کلاسیک هسته‌گذاری  و اصلاحات آن و بررسی اجمالی دیگر نظریه‌ها در اسفنج‌های گرمانرم است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[2] Kima Y., Park C.B., Chen P., Thompson R.B., Towards Maximal Cell Density Predictions for Polymeric Foams, Polym., 52:5622-5629 (2011).

[5] Enayati M.S., Famili M.H.N., Janani H., Production of Polystyrene Open-Celled Microcellular Foam in Batch Process by Supercritical CO2, Iran. J. Polym. Sci. Tech. (Persian), 23:223-234 (2010).

[7] Gutierrez C., Rodriguez J.F., Gracia I., Development of a Strategy for the Foaming of Polystyrene Dissolutions in scCO2, J. Supercrit. Fluids, 76:126-134 (2013).

[9] Baoa M.B., Liua T., Zhao L., A Two-Step Depressurization Batch Process for the Formation of Bi-Modal Cell Structure Polystyrene Foams Using scCO2, J. Supercrit. Fluids, 55:1104–1114 (2011).

[10] Tomasko D.L., Burley A., Development of CO2 for Polymer Foam Applications, J. Supercrit. Fluids, 47:493–499 (2009).

[11] Kashchiev D., "Nucleation: Basic Theory with Applications", Butterworth-Heinemann, UK (2000).

[12] Vehkamaki H., “Classical Nucleation Theory in Multicomponent Systems", Springer, Finland (2006).

[13] Merikanto J., Lauri A., Vehkama H., Origin of the Failure of Classical Nucleation Theory: Incorrect Description of the Smallest Clusters, Phys. Rev. Lett., 98:145702-145706 (2007).

[15] Han J.H., Han C.D., Bubble Nucleation in Polymeric Liquids. II. Theoretical ConsiderationsJ. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 28: 743-761 (1990).

[16] Kima Y., Park Ch.B., Chen P., Thompson R.B., Maximal Cell Density Predictions for Compressible Polymer Foams, Polym., 54: 841-845 (2013).

[17] Talreja M., "Towards Understanding Interfacial Phenomena in Polymer-CO2 Systems", PhD Thesis, USA, The Ohio State University (2010).

[18] Talreja M., Kusaka I., Tomasko D.L., Density Functional Approach for Modeling CO2 Pressurized Polymer Thin Films in Equilibrium, J. Phys. Chem., 130: 084902-084907 (2009).

[21] Parra I.E., Graa J.C., Influence of the Attractive Pair-Potential in Density Functional Models of Nucleation, The J. Phys. Chem., 132:034702-034711 (2010).

[22] Kima Y., Park C.B., Chen P., Thompson R.B., Origins of the Failure of Classical Nucleation Theory for Nanocellular Polymer Foams, Soft. Matter., 7:7351-7358 (2011).

[24] Han J.H., Han C.D., Bubble Nucleation in Polymeric Liquids. I. Bubble Nucleation in Concentrated Polymer Solutions, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys.  28: 711-741 (1990).

[25] Han J.H., Han C.D., Bubble Nucleation in Polymeric Liquids. II. Theoretical Considerations, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys., 28: 743-761 (1990).

[26] Ott B.A., Caneba G., Solubility of Supercritical CO2 in Polystyrene during Foam Formation via Statistical Associated Fluid Theory (SAFT) Equation of State, Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, 9:411-426, (2010).

[27] Kasturirangan A., Teja A.S., Correlation of Cloud Points in CO2 Fluorinated Polymer Systems, J. Chem. Eng. Data., 55: 4385-4389 (2010).

[28] Yuan Y., Teja A.S., Extension of a Compressible Lattice Model to CO2 + Cosolvent + Polymer Systems, J. Supercrit. Fluids, 55:358-362 (2010).

[29] Kasturirangan A., Koh C.A., Teja A.S., Glass-Transition Temperatures in CO2 Polymer Systems: Modeling and Experiment, Ind. Eng. Chem. Res., 50:158-162 (2011).

[31] Mortezaie M., Famili M.H.N., Kokabi M., Influence of the Particle size on the Viscoelastic Glass Transition of Silica-Filled Polystyrene, J. Appl. Polym. Sci., 115: 969-975 (2010).

[32] Zakian S.E, Famili M.H.N., Ako M., Hetrogeneous Nucleation in Batch Foaming of Polystyrene in Presence of Nanosilica as a Nucleating Agent, Iran. J. Polym. Sci. Tech. (persian), 25:231-240 (2012).

[33] Famili M.H.N., Janani H., Enayati M.S., Foaming of a Polymer–Nanoparticle System: Effect of the Particle Properties, J. Appl. Polym. Sci., 119:2847-2856 (2011).

[35] Hwang S.S., Peming P.H., Effects of Silica Particle Size on the Structure and Properties of Polypropylene/Silica Composites Foams, J. Ind. Eng. Chem., 19:  1377–1383 (2013).

[36] Zenga ch., Hossieny N., Wang B., Morphology and Tensile Properties of PMMA Carbon Nanotubes Nanocomposites and Nanocomposites Foams, Compos. Sci. Technol.,  82:29–37 (2013).

[37] Costeux S., Zhu L., Low Density Thermoplastic Nanofoams Nucleated by Nanoparticles, Polym., 54:2785-2795 (2013).

[38] Soares F.A., Nachtigall S.M, Effect of Chemical and Physical Foaming Additives on the Properties of PP/Wood Flour Composites, Polym. Test., 32:640-646 (2013).

[39] Nofar M.R., Tabatabaei A.R., Park C.B., Effects of Nano-/Micro-Sized Additives on the Crystallization Behaviors of PLA and PLA/CO2 Mixtures, Polymer, 54:2382-2391 (2013).

[43] Gang Z.C., Irreversible Thermodynamics of Nucleation, J. Coll. Int. Sci., 124: 262-268(1988).

[44] Zenga ch., Hossieny N., Wang B., Synthesis and Processing of PMMA Carbon Nanotube Nanocomposite Foams, Polym., 51:655–664 (2010).

[50] Liao X., Yaogai G.L., C.B. Park, Chen P., Interfacial Tension of Linear and Branched PP in Supercritical Carbon Dioxide, J. Supercrit. Fluids, 55:386–394 (2010).

[51] Tsivintzelis I., Angelopoulou A.G., Panayiotou C., Foaming of Polymers with Supercritical CO2: An experimental and Theoretical Study, Polymer, 48:5928-5939 (2007).

[52] Panayiotou C., Pantoula M., Stefanis E., Tsivintzelis I., Nonrandom Hydrogen-Bonding Model of Fluids and Their Mixtures. 1. Pure Fluids, Ind. Eng. Chem. Res., 43:6592-6606 (2004).

[53] Panayiotou C., Tsivintzelis I., Economou I.G., Nonrandom Hydrogen-Bonding Model of Fluids and Their Mixtures. 2. Multicomponent Mixtures, Ind. Eng. Chem. Res., 46:2628-2636 (2007).

[54] Oxtoby D.W., Density functional Methods in the Statistical Mechanics of Materials, Annu. Rev. Mater. Res., 32:39-52 (2002).

[55] Schmelzer J.W.P., Comments on the Nucleation Theorem, J. Colloid Interface Sci. 242:354–372 (2001).

[56] Oxtoby D.W., Density Functional Methods in the Statistical Mechanics of Materials, Annu. Rev. Mater. Res., 32:39-52 (2002).