发泡塑料成型气泡膨胀热动力问题浅析

　　中国塑料发泡塑料成型气泡膨胀热动力问题浅析刘小平\吴舜英2（1.深圳职业技术学院，广东深圳518055；。华南理工大学工业装备与控制工程系，广东广州510641）得出气泡膨胀的动力是气液两相间的压强差，说明了气液两相间的质量传递和热量传递的根本原因，为进一步研究气泡膨胀的热动力学问题提供了理论基础。

　　发泡塑料是一种多孔塑料，它具有多孔结构。在发泡塑料成型过程中，发泡剂气体被熔入到一定温度和压力的塑料熔体中，形成塑料熔体/气体均相系统，当系统压力释放，瞬间气泡核形成，随后气泡膨胀、泡体固化定型，最后形成多孔结构的发泡塑料，因此同一般塑料相比，发泡塑料除了在成型过程中逐步改变原材料状态，成型为一定结构和性能的制品外，还伴随有新相（气相）和界面（气液界面）的形成、成长和定型过程，它们的成长是在气泡膨胀过程中进行的，对发泡塑料的结构和性能起决定性作用。因此研究气泡膨胀过程动力，探讨气泡膨胀规律及影响因素具有重要意义。

　　前人对气泡膨胀问题作过不少的研究工作，如（a）所示，基金项目：国家教委博士点基金资助项目编号：C7―110―并根据物理模型建立球坐标系如图Kb）所示。

　　物理模型及球坐标系为了便于分析，假设：1.气泡膨胀是径向球对称膨胀；。忽略惯性力和重力的影响；3.气泡膨胀系统液相压强均匀，是时间的函数；。气泡膨胀系统初始应力略去不计；。气泡膨胀系统气液相平衡服从拉乌尔定律。

　　BES是一个孤立系统，因为发泡塑料在成型过程中，气泡膨胀在极短时间内完成4，因此可以假设气泡周围塑料熔体的温度在整个成型过程中保持不变，BES热平衡条件得到满足，BES与外界没有热量传递；根据假设，在气泡膨胀过程中，气泡膨胀是径向球对称均匀膨胀的，BES外塑料熔体中的气体浓度及变化与BES中塑料熔体中的是相同的，BES相变平衡条件得到满足，BES与外界没有物质交换；根据假设2BES力学平衡条件得到满足，BES与外界没有功的交换。即BES系统与外界没有物质、热量和功交换，所以BES是一个孤立系统。

　　在BES中，考虑气液表面自成一相，因此BES是一个二元三相系，这三相分别是气相一a相（气泡内气体组成）液相（气泡周围含有气体的塑料熔体组成）一P相、气液表面相一Y相三相，三相的热力学基本方程分别为：n摩尔数卜一化学势A气液表面面积气液表面张力在热力学中，我们把表面理想化为几何面。因此表面相的摩尔数等于零，Y相的热力学基本方程中不含的项dn7项。

　　现设想BES系统发生一个虚变动，在虚变动中，a相、3相和Y相的内能、体积和摩尔数分别发生虚变动SUQSVQ液两相的温度、压强和气相中气体组分的化学势与液相中气体组分的化学势必须分别相等，这就是BES达到平衡时所要满足的平衡条件，反过来说，如气液两相中任何一个参数不相等，系统都会发生变化，变化是朝着熵增加的方向。

　　所以在发泡塑料成型过程中，当气泡膨胀满足式⑴、（2）和⑴时，气泡膨胀停止，即BES达到平衡；反之，气泡膨胀进行，进行的方向是朝着熵增加的方向，如果热平衡条件未能满足，变化将朝着suTq―）+SU3（T3―+）>的方向进行，即是能量从高温的相传递到低温的相去；如力学平衡条件未能满足，变化将朝着sVpa―令一，和〉的方向进行，即压强大的相将膨胀，压强小的相将压缩；如相变平衡条件未能满足，变化朝着SnQ 2气泡膨胀动力问题分析根据熵的广延性质，整个系统的熵变是：T―节整个系统达到平衡时，总熵有极大值，即有：改变的，as=o要求：即：tq=T3=ty（热平衡条件）PQ―1-=0（力学平衡条件）r，=一（相变平衡条件）首先对气泡膨胀体系液相流体进行流体动力分析，气泡膨胀动力问题的物理模型和坐标系如（a）和（b）所示。

　　根据假设液相流体的连续性方程为：时积分上式得：了厂7）根据假设液相流体运动方程为：（5）式方程两边对〃从及（到丹（0积分得到下式：根据气泡膨胀体系中气液界面r方向上的力平衡方程和气泡膨胀体系与外界界面r方向的力平衡方程，及假设4上式可以化为：1由条件得到满足为止，气泡膨胀停止。

　　气泡膨胀动力为零。因此压力差（AP=Pg―Ph）的作用直接产生气泡膨胀过程的动力。在气泡膨胀过程中，BES系统克服粘性阻力、气液表面张力等的作用，气泡内气体压力Pg发生变化。

　　根据拉乌尔定律：在一定温度和压力下，当气液两相达到平衡时，气相中气体组分的化学势与液相中气体组分的化学势必相等，即：Pg―为气相气体的压强xp―为液相气体组分质量分数在气泡膨胀过程中，当气液两相达到平衡时，即有=<）（T在气泡膨胀的初始时刻，气泡半径为R0，气液两相处于相平衡状态，随着气泡膨胀过程的进行，气泡内气体压力Pg改变，气相气体膨胀或压缩，气泡半径随时间发生变化，气液两相发生动量传递，由（9）式左端可见：气相气体组分的化学势随气相气体压力Pg的变化而变化，气液两相相平衡状态被打破，气液相气体组分的化学势不等，形成化学势的差异，于是气体在气液两相间进行质量扩散，气体由化学势高的相向化学势低的相扩散，直到气液两相气体组分的化学势相等为止，气液两相在气泡膨胀到新的气泡半径为R（）时达到新的相平衡。随着气泡膨胀过程的进行，气泡内气体压力Pg改变，气相气体膨胀或压缩，使气体温度升高或降低，气液两相间产生热量交换，热量由高温相向低温相传递，至到气液两相在气泡膨胀到新的气泡半径R（）时达到热平衡为止。

　　所以说气液两相的压力差是气泡膨胀的动力，由此引起气液两相的动量传递，动量传递的作用使气液两相发生质量和热量传递，它们随动量传递一起作用于气泡膨胀过程中，影响气泡膨胀。

　　3结语总之，本文从气泡膨胀系统热力学问题分析入手，运用流体动力学和热力学的有关理论知识，阐明了气泡膨胀热动力问题的本质，根据熵增加原理推导出气泡膨胀的条件，分析了气泡膨胀的方向，得知气泡膨胀的动力是气液两相间的动量传递，即气液两相间的压两相气体组分化学势差异、导致气液两相质量扩散的根本原因，也是导致气相温度变化产生气液两相热量传递的根本原因，为进一步研究气泡膨胀系统的热力学问题奠定了理论基础。

　　W（T，Pi）―压力为标准大气压Pi、温度