مروري بر جنبه هاي ترموديناميكي اسفنج هاي گرمانرم

A Review on the Thermodynamic Aspects of Thermoplastic Foams

در دو روش رايج براي توليد اسفنج هاي بسپاري، از عامل هاي اسفنج ساز شيميايي و فيزيكي استفاده مي شود. عامل اسفنج ساز فيزيكي در فشار و دماي بالاتر از شرايط بحراني آن، تا حدي در بسپار حل شده و در اثر ايجاد افت فشار سريع يا افزايش دما در مخلوط، طي سه مرحله هسته گذاري، رشد و به هم پيوستگي، ساختار اسفنج شكل مي گيرد. در مرحله هسته گذاري، در اثر ايجاد فراسير شدگي، ناپايداري ترموديناميكي در مخلوط ايجاد شده كه موجب تمايل مولكول هاي حلال براي انتقال فازي از حالت فوق بحراني به حالت گاز در جهت كاهش ناپايداري مي شود. با غلبه بر سدي از انرژي، انرژي آزاد سامانه كاهش يافته و هسته هاي پايداري از مولكول هاي گاز در حجم هاي آزاد بين زنجيرهاي بسپارشكل مي گيرند. با نفوذ مولكول هاي گاز به درون هسته ها، رشد و به هم پيوستگي آن ها رخ مي دهد كه سرانجام رشد متوقف شده و ساختار اسفنج تثبيت مي شود. با افزايش بازده مرحله هسته گذاري، تعداد هسته هاي پايدار بيش تري ايجاد شده و ميزان رشد و به هم پيوستگي آنها نيز كاهش مي يابد. بنابراين پيش بيني ميزان سته گذاري عاملي مهم در كنترل ساختار اسفنج هاي گرمانرم بوده و بررسي مرحله هسته گذاري به كمك نظريه هاي هسته گذاري انجام پذير است. نظريه كلاسيك هسته گذاري روش اصلي و اوليه بررسي پديده هسته گذاري در اسفنج هاي گرمانرم بوده كه به دليل ناهمخواني مناسب نتيجه هاي آن با نتيجه هاي آزمايشگاهي، اصلاحاتي بر روي آن آنجام شده است. همچنين نظريه هاي رقيب ديگري همچون نظريه هاي عامليت چگالي و ميدان خودسازگار نيز به وجود آمده اند. هدف اصلي اين مقاله مروري، بررسي جامع نظريه كلاسيك هسته گذاري و اصلاحات آن و بررسي اجمالي ديگر نظريه ها در اسفنج هاي گرمانرم است.

Both physical and chemical foaming agents can be used in the two common methods for the production of polymeric foams. The physical foaming agent is dissolved in the polymer at a pressure and temperature beyond its critical condition. The foam structure is formed by a sudden pressure drop in the mixture in three steps; nucleation, growth, and coalescence. In the nucleation step, thermodynamic instability is formed in the mixture. This induces a tendency in the solvent molecules for a phase transition from a supersaturated state to a gas state in the direction of instability reduction. By overcoming the energy barrier, the free energy of the system is reduced and gas stable nuclei are formed in the free volumes of the polymer chains. Growth and coalescence of the nucleic take place with the diffusion of the gas molecules inside them. The growth step is finally stopped and the foam structure is established. With the increase in the nucleation efficiency, the growth rate is reduced. Therefore, prediction of nucleation rate is an important factor for controlling the thermoplastic foam structures. Investigation of the nucleation step has been doable with the aid of nucleation theories. The classical nucleation theory is a prominent method for the investigation of nucleation phenomena in thermoplastic foams, but due to the existing of a divergence between its theoretical values with the experimental data, some modifications have been introduced into this theory. Other competing theories such as the Density Functional Theory and the Self Consistent Field Theory have also been developed. The main aim of this review paper is an investigation of the existing theories for thermoplastic foams.