Page 20 - 《精细化工》2022年第8期

·1520· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

表 4 气泡成核的相关理论 [95]
Table 4 Theories related to bubble nucleation [95]
理论 内容 特点
均相成核 熔体中无任何杂质,在体系内压力释放过程中每个气体分子都 适用于均相体系，成核所需克服的自由能垒最大，
可能是诱发成核的点 气体含量必须有很大的过饱和度
异相成核 熔体中存在除聚合物以外的其他杂质，在界面处存在诱发成核 适用于复合材料，成核所需克服的自由能垒小
的低自由能垒点
空穴成核 熔体中存在成核剂或其他微粒时，气体被吸附在微粒上，由于 存在成核剂等微粒，气体分子优先向这些空穴聚
劈楔的作用，其内部产生空穴 集成核
热点成核 熔体内部受热不均或发泡剂放热造成局部温度高，熔体中的过 必须有热点存在，适合添加成核剂或发泡剂的复
饱和气体在热点处聚集形成气泡核 合材料
剪切成核 通过机械搅拌，聚合物中裹挟的气体来不及全部溶解，可以在 通过机械搅拌，使气体均匀分散再聚集成核较为
不饱和条件下聚集形成气泡核 困难
移植核 熔体中的木质纤维作为气泡核，仅依靠纤维释放出的水分和挥 减少了气体在聚合物中的扩散，缩短了发泡所需
发性气体使气泡膨胀 的时间

动力学和热力学过程，其本质是气体与基体之间质
量与能量的传递过程。通过上述对气泡形成过程的
分析可以发现，泡孔的最终形态结构主要受气泡内
外压强与气泡壁表面的应力与张力的影响。当气泡
内压强大于气泡外压强时，气泡生长，若气泡壁的
表面应力大于气泡壁表面张力，气泡壁将破裂形成
开孔；当气泡内部压强与外部压强达到平衡时，气
泡逐渐稳定，停止生长，当气泡壁的表面应力小于

图 5 淀粉基发泡材料气泡壁的受力分析 气泡壁的表面张力时，气泡将以闭孔的形式存在。
Fig. 5 Force analysis of the bubble wall of starch-based 因此，若能很好地控制气泡内外压强和气泡壁的表
foaming materials 面应力与张力，便能有效控制泡孔的形成。

在气泡形成阶段，随着体系环境的改变，当熔 气泡内外压强和气泡壁表面的应力与张力受诸
体强度与外部压强小于气泡内压时，气泡之间还会 多因素的影响，这些因素可分为可控因素和不可控
出现合并与破裂的现象。由于大气泡的内部压强小 因素。其中，可控因素包括温度、压力、气体浓度
于小气泡的内压，当气泡出现碰撞时，泡孔通常倾 等。有研究表明，泡沫的孔隙结构及分布与气泡的
向于合并。气泡壁水汽流失速率和局部变薄速率是 生长直接相关，而气泡的形成与基体内部气体产生
保持气泡稳定的两个重要因素。水汽流失将引起气 的压力有关 [98] 。因此，微波加工过程中的泡沫膨胀
泡壁表面层的移动，并产生气泡表面的浓度梯度， 可以通过优化成型工艺参数和材料组分配比（如发
进而引起气泡壁表面的张力梯度 [97] 。其中，气泡表 泡剂的种类和添加量等）来实现。PENG 等 [99] 研究
面张力是阻碍气泡破裂的主要因素。此外，如果淀 发现，增加微波功率会导致材料体系内的水分快速
粉基质中存在异质体，气泡壁表面会发生局部变薄， 去除，同时会增加气泡的数量，最终导致基体的更
尤其是淀粉与异质体的界面处通常表现出更高的应 大膨胀。而且，模具的改进设计也可以在一定程度
力，致使在发生弹性变形阶段，这些应力集中的地 上解决模具受热不均匀、排气不流畅对淀粉基发泡
方更容易破裂。张传伟 [88] 针对纤维增强淀粉基生物 材料的影响。另外，气泡内外压强还受材料内部气
质复合材料的内部开放式泡孔结构，从应力角度提 体分子运动和气泡生 长等不可控因素的影响，如气
出了“局部收缩-应力极限”模型。在气泡生长过程 体分子的不规则运动使材料体系内局部气体浓度不
中，气泡碰撞发生弹性变形，变形量的增加会导致 同，各气泡内外的不同压差影响气泡的生长速率，
气泡壁表面应力增大，当气泡壁的表面应力大于气 而且气泡生长还会引起其内部气压的变化。因此，
泡壁表面张力时，气泡壁发生破裂，淀粉基质在弹 难以通过这些不可控因素有效地调节气泡壁内外的
性黏结力下发生弹性回缩，依附在纤维表面，最终 压力差，进而有效地控制泡孔的生长。而且，气泡
形成开放式泡孔结构。 壁的表面张力和表面应力影响着熔体强度和变形能
3.1.2 泡孔影响因素调控 力，其影响因素包括聚合物材料的分子结构特性、
气泡的膨胀生长与稳定固化阶段是非常复杂的 复合材料之间的界面相容性、浆料的黏度和均匀度、