SC-CO2在PS中的溶解性及微孔PS力学性能研究(3)
（2）SC-CO2具有近似液体的溶解度和近似气体的扩散系数，SC-CO2的表面张力很低，当温度接近Tc时，表面张力将至零，很容易进入固体等基质内，表现出很强的渗透、扩散能力，能够溶解众多有机物，使其可以发泡多种聚合物。
（3）SC-CO2无毒、不易燃、无腐蚀性、价廉易得、使用安全等特点，较好地符合人类的可持续性发展的要求，对自然的绿色环保起着积极的作用。
（4）SC-CO2还可以降低聚合物体力的表面张力，对聚合物熔体有着很好的增塑作用，因而可以降低聚合物的玻璃化转变温度Tg，并能降低聚合物熔体的粘度，提高聚合物熔体的流动性，从而降低工艺条件。
SC-CO2的众多优异特性，使得SC-CO2成为超临界流体技术的首选发泡剂。
1.2 超临界二氧化碳发泡机理
超临界二氧化碳制备聚合物发泡材料是一个比较复杂的过程，涉及到聚合物与SC-CO2之间的相互作用、相的转变、泡孔的形成和控制以及体系流变特性等方面。王进等[6]发现，对于制备微发泡聚合物材料的主要两种基本方法：间歇法和连续法，但它们发泡的基本原理是一致的，即经SC-CO2饱和好的聚合物通过快速卸压或者快速升温的方法使其进入热力学不稳定状态，从而在聚合物基体中形成大量气核而得到微孔结构.
翟文涛等[7]研究了微发泡聚合物的发泡原理，总结了发泡的四个阶段（如图1.2所示）：聚合物/气体饱和体系的形成、泡孔的成核、泡孔的增长和泡孔的结构定型。
（1）聚合物/气体饱和体系的形成。在一定温度、压力和时间下，采用适当的方法使得SC-CO2溶解在聚合物中，形成聚合物/气体饱和体系，气体溶解在聚合物中的过程由气体的饱和浓度、气体的压力以及体系的温度等有关。
（2）泡核的形成。泡孔的成核阶段对发泡塑料的最终泡孔密度和分布状况起着决定性的作用，影响最终发泡塑料的泡孔密度。通过快速降压或者快速升温的方法，使得聚合物/气体饱和体系迅速变为过饱和体系，进入热力学不稳定状态。聚合物和气体的相分离在聚合物体系中引发成核，气核大于某一临界尺寸（r*）才可能稳定地存在。经典的成核理论表明:临界尺寸（r*）由聚合物/气体的界面张力（γ）和用于饱和聚合物的气体压力（△P）决定。
（3）泡孔增长。体系内的气体扩散进入泡核，使得泡孔增长，体系的自由能持续降低。泡孔的增长程度由允许增长时间、体系温度、过饱和程度、体系应力状态和粘弹性等控制[8]。泡孔增长的过程往往会伴随着泡孔的合并和泡壁的破裂。泡孔的合并贯穿于泡孔增长的全过程，是指泡孔尺寸分布不均匀、大尺寸泡孔融合周围小泡孔的现象，其有利于降低微发泡体系的不稳定状态。而当泡孔增长到泡壁无法承受泡孔增长所产生的双向拉伸作用时就会发生泡壁的破裂，使得相邻的泡孔连在一起形成更大的泡孔，一般发生在泡孔增长的后期，此时的泡壁会变得很薄。
（4）泡孔结构定型。泡孔增长的过程中，大量的气体扩散到泡孔中或者逃逸出聚合物体系，从而导致泡孔增长的驱动力不断降低；同时，聚合物基体的刚性逐渐提高。这两种作用都会一致泡孔的增长，使得泡孔结构最终固定下来。
图1.2 聚合物发泡过程示意图
1.3 超临界二氧化碳在聚合物中溶解度和扩散系数测定方法[9]
由于CO2在聚合物中的溶解度很小，一直没有一种简单准确的测定方法。目前发展起来的有：质量分析法、压力下降法、光学观测法、光谱技术等。
1.3.1 质量分析法
将聚合物样条放入到高压釜中，不断注入超临界气体，直到达到一定的压力，将高压釜在一定温度下进行饱和，饱和一定时间后将样品从高压釜中取出，测定样条的质量随着时间不断变化。该方法有着明显的缺陷，实验过程中，进行卸压时放气速度的控制，以及将样条从高压釜中取出后气体的泄漏等，都会对实验结果带来很大的误差。而且这些误差与很多因素有关，比如聚合物的性质、形状、尺寸等，以及气体的性质；另一方面，这种方法对于速度较慢的扩散剂耗时较长，而用于速度较快的扩散剂又有很多的不确定性[10]。