超临界CO2在聚苯乙烯熔体中的扩散系数

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.02.011

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (2): 63-70.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.02.011

超临界CO₂在聚苯乙烯熔体中的扩散系数

王都阳¹, 蔡圳南², 黄兴元¹^,³(), 王龙¹, 李孟山⁴

^1.南昌大学江西省高性能精确成型重点实验室，南昌 330031
^2.江西交通职业技术学院，南昌 330013
^3.东华理工大学江西省聚合物微纳制造与器件重点实验室，南昌 330013
^4.赣南师范大学物理与电子信息学院，江西赣州 341000

收稿日期:2020-08-21 出版日期:2021-02-26 发布日期:2021-02-22
基金资助:
国家自然科学基金项目(51403615);江西省研究生创新创业专项(YC2017-B009)

Diffusion Coefficient of Supercritical Carbon Dioxide in Polystyrene Melt

WANG Duyang¹, CAI Zhennan², HUANG Xingyuan¹^,³(), WANG Long¹, LI Mengshan⁴

^1.Nanchang University，Jiangxi Key Laboratory of High Performance Precision Molding，Nanchang 330031，China
^2.Jiangxi V & T College Communications，Nanchang 330013，China
^3.East China University of Technology，Jiangxi Key Laboratory of Polymer Micro Nano Manufacturing and Devices，Nanchang 330013，China
^4.Institute of Physics and Electronic Information，Gannan Normal University，Ganzhou 341000，China

Received:2020-08-21 Online:2021-02-26 Published:2021-02-22
Contact: HUANG Xingyuan E-mail:huangxingyuan001@126.com

摘要/Abstract

摘要：

微孔发泡材料的质量与超临界CO₂在聚合物熔体中的溶解量和溶解速率紧密相关，采用有限元模拟的方法得出不同条件下的等效扩散系数来表征溶解速率。首先，通过基于体积法的实验装置测出不同条件下超临界CO₂在聚合物熔体中的溶解量；其次，通过COMSOL软件计算得出不同的扩散系数下溶解量的变化，最后通过实验值与模拟计算值之间的对比，得出不同条件下，超临界CO₂在聚合物中的等效扩散系数，并分析了误差来源。结果表明，超临界CO₂在聚苯乙烯（PS）熔体中的溶解量随着压力的增加而增加，相反，随着温度的升高呈下降的趋势；模拟计算所得等效扩散系数与实验保持一致，温度与压力的增大都会提高扩散系数的数值；模拟的溶解平衡时间与实验的溶解平衡时间之间的误差不超过20 %。实验结果与模拟计算的结果吻合较好。因此，计算溶解量及等效扩散系数具有重要意义，可为微孔发泡工艺提供理论指导。

关键词: 超临界二氧化碳, 聚苯乙烯, 溶解量, 扩散系数

Abstract:

There is a close relationship between the quality of the microcellular foaming material and the amount of supercritical CO₂ dissolved in the polymer melt along with its dissolution rate. A finite element simulation method was adopted to obtain the equivalent diffusion coefficient under different conditions to characterize the dissolution rate. A volumetric?based experimental device was used to measure the amount of supercritical CO₂ dissolved in the polymer melt under different conditions. The change of the dissolution amount at different diffusion coefficients was then calculated by the COMSOL software. Through comparing the experimental data with the simulated ones， the equivalent diffusion coefficient of supercritical CO₂ in the polymer under different conditions was obtained， and its error source was analyzed. The results indicated that the amount of supercritical CO₂ dissolved in the polystyrene melt increased with an increase in pressure but decreased with an increase in temperature. The equivalent diffusion coefficient calculated by simulation is in good agreement with the experimental result. The improvement of temperature and pressure resulted in an increase in diffusion coefficient. There is no more than 20 % of error between the simulated dissolution equilibrium time and the experimental value. The experimental results are in good agreement with the simulation ones. Therefore， the simulation and calculation for the dissolved amount and equivalent diffusion coefficient are of great significance and therefore can provide a theoretical guidance for the microcellular foaming process.

Key words: supercritical carbon dioxide, polystyrene, dissolved amount, diffusion coefficient

中图分类号:

TQ325.2

王都阳, 蔡圳南, 黄兴元, 王龙, 李孟山. 超临界CO₂在聚苯乙烯熔体中的扩散系数[J]. 中国塑料, 2021, 35(2): 63-70.

WANG Duyang, CAI Zhennan, HUANG Xingyuan, WANG Long, LI Mengshan. Diffusion Coefficient of Supercritical Carbon Dioxide in Polystyrene Melt[J]. China Plastics, 2021, 35(2): 63-70.

图/表 11

图1 溶解装置结构图

Fig.1 Structure diagram of the dissolution apparatus

170 ℃		180 ℃		190 ℃
压力/ MPa	密度/ g·cm^-3	压力/MPa	密度/ g·cm^-3	压力/MPa	密度/ g·cm^-3
7.5	0.989 9	7.5	0.983 8	7.5	0.977 6
8.5	0.990 8	8.5	0.984 7	8.5	0.978 6
9.5	0.991 7	9.5	0.985 7	9.5	0.979 6

表1 溶解开始前PS的密度

Tab. 1 The density of PS before dissolution

170 ℃		180 ℃		190 ℃
压力/ MPa	溶解度/ g·g^-1	压力/MPa	溶解度/ g·g^-1	压力/MPa	溶解度/ g·g^-1
7.5	0.025 9	7.5	0.023 6	7.5	0.021 7
8.5	0.029 3	8.5	0.026 8	8.5	0.024 6
9.5	0.032 8	9.5	0.030 0	9.5	0.027 5

表2 超临界CO2在PS中的溶解度

Tab. 2 The solubility of supercritical CO2 in PS

图2 几何模型和有限元网格

Fig.2 Geometry model and finite element mesh

图3 不同扩散系数下超临界CO2在PS中溶解过程的模拟与实验结果对比

Fig.3 Comparison of experimental and simulation results of the solubility of supercritical CO2 in PS under different diffusion coefficient

图4 不同扩散系数对应的超临界CO2在PS中的溶解量

Fig.4 The solubility of supercritical CO2 in PS corresponding to different diffusion coefficients

扩散系数/×10^-8 m²·s^-1	平均差/m²·s^-1
1	0.005 753
2	0.003 074
3	0.002 152
4	0.001 919
5	0.002 120
6	0.002 290
7	0.002 425
8	0.002 527
9	0.002 607
10	0.002 671

表3 不同扩散系数与实验值的平均差

Tab.3 Average difference between different diffusion coefficients and experimental values

图5 170 °C、7.5 MPa时实验结果与模拟结果对比

Fig. 5 Comparison of experimental and simulation results of the solubility of supercitical CO2 in PS at 170 °C and 7.5 MPa

图6 不同条件下的超临界CO2在PS中的等效扩散系数

Fig.6 The equivalent diffusion coefficient of supercritical CO2 in PS under different conditions

温度/ ℃	压力/ MPa	等效扩散系数/ ×10^-8 m²·s^-1	模拟值/ g·g^-1	实验值/ g·g^-1	相对误差/%
170	7.5	3.7	0.025 88	0.028 43	8.969 4
	8.5	3.8	0.029 34	0.032 21	8.910 3
	9.5	4.8	0.032 82	0.036 96	11.201 3
180	7.5	4.0	0.023 65	0.026 21	9.767 3
	8.5	5.6	0.026 81	0.030 81	12.982 8
	9.5	7.4	0.029 98	0.033 23	9.780 3
190	7.5	6.3	0.021 73	0.024 34	10.723 1
	8.5	6.7	0.024 64	0.029 31	15.933 1
	9.5	7.6	0.027 56	0.031 23	11.751 5

表4 实验和模拟超临界CO2在PS熔体中的溶解度对比

Tab.4 Experimental and simulated solubility of supercritical CO2 in PS

170 ℃		180 ℃		190 ℃
压力/MPa	平衡时间误差/%	压力/MPa	平衡时间误差/%	压力/MPa	平衡时间误差/%
7.5	14.556	7.5	14.750	7.5	12.903
8.5	12.613	8.5	5.263	8.5	14.815
9.5	8.692	9.5	4.898	9.5	16.174

表5 平衡时间误差

Tab.5 The errors of balance time

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超临界CO₂在聚苯乙烯熔体中的扩散系数

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