聚苯乙烯微孔材料的制备及性能研究(3)
超临界二氧化碳（Sc-CO2）是最常用的超临界流体之一，其在发泡领域的应用极为广泛，目前已成功替代了许多物理和化学发泡剂，成为近年来工业生产和科学研究的热点[12] 。
图1.1 纯流体温度和压力的关系图
表1.1 常见流体的临界参数
物质名称 临界温度/℃ 临界压力/MPa
CO2 31.1 7.37
乙烯 9.3 5.04
乙烷 32.3 4.88
氮 -147.0 3.39
氨 132.5 11.28
甲醇 293.4 8.10
乙醇 243.0 6.38
甲苯 318.5 4.11
环己烷 280.3 4.07
水 374.2 22.05
表1.2 气体、液体和超临界流体的性质比较
流体/性质 密度/ (g/cm3) 粘度/ (Pa•s ) 扩散系数/ (cm2/s)
气体 10-3 10-5 10-1
超临界流体 0.1~0.5 10-4~10-5 10-3
液体 1 10-3 10-5
采用超临界CO2制备聚苯乙烯微孔材料具有许多优点[13-15]：
(1) 超临界CO2的临界温度为31.1℃、临界压力为7.37MPa，因而可以容易地实现超临界流体操作；并且CO2的临界压力低，设备加工较为安全；
(2) 超临界CO2的黏度与气体相近，扩散系数比液体大2个数量级，因而具有较好的流动性、渗透性和传递性，可以较快速地在聚合物熔体中达到平衡浓度，从而大大缩短了加工时间，使得聚苯乙烯发泡材料的工业化生产成为可能；
(3) 超临界CO2在聚合物中的溶解能力随温度和压力而变化，可以通过改变温度或者压力，来调控超临界CO2在聚合物熔体中的溶解情况，控制聚合物发泡。
(4) 在相同的温度下，使用超临界CO2作为发泡剂可以达到更高的平衡浓度，根据经典成核理论，成核速率随之增大，从而可制得发泡性能更好的聚苯乙烯微孔材料，其泡孔孔径更小、泡孔密度更大；
(5) CO2化学性质稳定，无色、无臭、无毒性，不腐蚀、不易燃、不爆炸，对环境友好、来源广泛、价格低廉。
基于超临界CO2的以上优点，用它取代传统的物理和化学发泡剂，已成为聚苯乙烯发泡研究和生产的必然趋势之一。
1.3 聚苯乙烯微孔材料
1.3.1 使用纳米填充改性聚苯乙烯微孔材料
为了改善聚苯乙烯的发泡性能，常常采用引入纳米填料的方法，引导异相成核。由于纳米粒子具有许多特殊性质，比如尺寸极小，往往在纳米级别，因而具有极大的比表面积，在聚合物发泡过程中，可以提供大量的成核点，并且为CO2的吸收提供更大的界面积，从而促进和加强泡核的形成[18]。
研究表明：聚合物发泡体系中加入少量纳米填料后，可以降低微发泡材料的泡孔尺寸1个数量级，增加泡孔密度2-3个数量级[19]。这是因为无机粒子加入到聚合物中，引导能垒远低于均相成核的异相成核作用发生，从而有利于制备更好的微孔材料。而使用纳米改性的复合材料表现出来的平均性质，取决于聚合物与纳米填料之间的相互作用情况，聚合物和无机填料之间往往存在很大的且相互作用较强的界面，所以该复合材料兼具无机物优良的力学、耐热性能和聚合物的韧性、介电性能相结合的优点[20]，是制备新型材料的有效方法。