中國塑料bookmark0發(fā)泡塑料成型氣泡膨脹熱動力問題淺析劉小平\吳舜英2（1.深圳職業(yè)技術(shù)學院，廣東深圳518055；。華南理工大學工業(yè)裝備與控制工程系，廣東廣州510641）得出氣泡膨脹的動力是氣液兩相間的壓強差，說明了氣液兩相間的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞的根本原因，為進一步研究氣泡膨脹的熱動力學問題提供了理論基礎(chǔ)。
發(fā)泡塑料是一種多孔塑料，它具有多孔結(jié)構(gòu)。在發(fā)泡塑料成型過程中，發(fā)泡劑氣體被熔入到一定溫度和壓力的塑料熔體中，形成塑料熔體/氣體均相系統(tǒng)，當系統(tǒng)壓力釋放，瞬間氣泡核形成，隨后氣泡膨脹、泡體固化定型，最后形成多孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡塑料，因此同一般塑料相比，發(fā)泡塑料除了在成型過程中逐步改變原材料狀態(tài)，成型為一定結(jié)構(gòu)和性能的制品外，還伴隨有新相（氣相）和界面（氣液界面）的形成、成長和定型過程，它們的成長是在氣泡膨脹過程中進行的，對發(fā)泡塑料的結(jié)構(gòu)和性能起決定性作用。因此研究氣泡膨脹過程動力，探討氣泡膨脹規(guī)律及影響因素具有重要意義。
前人對氣泡膨脹問題作過不少的研究工作，如（a）所示，基金項目：國家教委博士點基金資助項目編號：C7―110―為了便于分析，假設(shè)：1.氣泡膨脹是徑向球?qū)ΨQ膨脹；。忽略慣性力和重力的影響；3.氣泡膨脹系統(tǒng)液相壓強均勻，是時間的函數(shù)；。氣泡膨脹系統(tǒng)初始應力略去不計；。氣泡膨脹系統(tǒng)氣液相平衡服從拉烏爾定律。
BES是一個孤立系統(tǒng)，因為發(fā)泡塑料在成型過程中，氣泡膨脹在極短時間內(nèi)完成4，因此可以假設(shè)氣泡周圍塑料熔體的溫度在整個成型過程中保持不變，BES熱平衡條件得到滿足，BES與外界沒有熱量傳遞；根據(jù)假設(shè)，在氣泡膨脹過程中，氣泡膨脹是徑向球?qū)ΨQ均勻膨脹的，BES外塑料熔體中的氣體濃度及變化與BES中塑料熔體中的是相同的，BES相變平衡條件得到滿足，BES與外界沒有物質(zhì)交換；根據(jù)假設(shè)2BES力學平衡條件得到滿足，BES與外界沒有功的交換。即BES系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)、熱量和功交換，所以BES是一個孤立系統(tǒng)。
在BES中，考慮氣液表面自成一相，因此BES是一個二元三相系，這三相分別是氣相一a相（氣泡內(nèi)氣體組成）液相（氣泡周圍含有氣體的塑料熔體組成）一P相、氣液表面相一Y相三相，三相的熱力學基本方程分別為：n摩爾數(shù)卜一化學勢A氣液表面面積氣液表面張力在熱力學中，我們把表面理想化為幾何面。因此表面相的摩爾數(shù)等于零，Y相的熱力學基本方程中不含的項dn7項。
現(xiàn)設(shè)想BES系統(tǒng)發(fā)生一個虛變動，在虛變動中，a相、3相和Y相的內(nèi)能、體積和摩爾數(shù)分別發(fā)生虛變動SUQSVQ 5ASU3、SV3、5/、Su7、SAH液兩相的溫度、壓強和氣相中氣體組分的化學勢與液相中氣體組分的化學勢必須分別相等，這就是BES達到平衡時所要滿足的平衡條件，反過來說，如氣液兩相中任何一個參數(shù)不相等，系統(tǒng)都會發(fā)生變化，變化是朝著熵增加的方向。
所以在發(fā)泡塑料成型過程中，當氣泡膨脹滿足式⑴、（2）和⑴時，氣泡膨脹停止，即BES達到平衡；反之，氣泡膨脹進行，進行的方向是朝著熵增加的方向，如果熱平衡條件未能滿足，變化將朝著suTq―）+SU3（T3―+）>的方向進行，即是能量從高溫的相傳遞到低溫的相去；如力學平衡條件未能滿足，變化將朝著sVpa―令一，和〉的方向進行，即壓強大的相將膨脹，壓強小的相將壓縮；如相變平衡條件未能滿足，變化朝著SnQ根據(jù)熵的廣延性質(zhì)，整個系統(tǒng)的熵變是：首先對氣泡膨脹體系液相流體進行流體動力分析，氣泡膨脹動力問題的物理模型和坐標系如和（b）所示。
根據(jù)假設(shè)液相流體的連續(xù)性方程為：邊界條件為：積分上式得：整個系統(tǒng)達到平衡時，總熵有極大值，即有：改變的，as=o要求：了廠7）根據(jù)假設(shè)液相流體運動方程為：（5）式方程兩邊對〃從及（到丹（0積分得到下即：tq=T3=ty（熱平衡條件）PQ― 1-=0（力學平衡條件）r，=一（相變平衡條件）式：根據(jù)氣泡膨脹體系中氣液界面r方向上的力平衡方程和氣泡膨脹體系與外界界面r方向的力平衡方程，及假設(shè)4上式可以化為：1由條件得到滿足為止，氣泡膨脹停止。
氣泡膨脹動力為零。因此壓力差（AP=Pg―Ph）的作用直接產(chǎn)生氣泡膨脹過程的動力。在氣泡膨脹過程中，BES系統(tǒng)克服粘性阻力、氣液表面張力等的作用，氣泡內(nèi)氣體壓力Pg發(fā)生變化。
根據(jù)拉烏爾定律：在一定溫度和壓力下，當氣液兩相達到平衡時，氣相中氣體組分的化學勢與液相中氣體組分的化學勢必相等，即：W（T，Pi）―壓力為標準大氣壓Pi、溫度Pg―為氣相氣體的壓強xp―為液相氣體組分質(zhì)量分數(shù)在氣泡膨脹過程中，當氣液兩相達到平衡時，即有=<）（T在氣泡膨脹的初始時刻，氣泡半徑為R0，氣液兩相處于相平衡狀態(tài)，隨著氣泡膨脹過程的進行，氣泡內(nèi)氣體壓力Pg改變，氣相氣體膨脹或壓縮，氣泡半徑隨時間發(fā)生變化，氣液兩相發(fā)生動量傳遞，由（9）式左端可見：氣相氣體組分的化學勢隨氣相氣體壓力Pg的變化而變化，氣液兩相相平衡狀態(tài)被打破，氣液相氣體組分的化學勢不等，形成化學勢的差異，于是氣體在氣液兩相間進行質(zhì)量擴散，氣體由化學勢高的相向化學勢低的相擴散，直到氣液兩相氣體組分的化學勢相等為止，氣液兩相在氣泡膨脹到新的氣泡半徑為R（）時達到新的相平衡。隨著氣泡膨脹過程的進行，氣泡內(nèi)氣體壓力Pg改變，氣相氣體膨脹或壓縮，使氣體溫度升高或降低，氣液兩相間產(chǎn)生熱量交換，熱量由高溫相向低溫相傳遞，至到氣液兩相在氣泡膨脹到新的氣泡半徑R（）時達到熱平衡為止。
所以說氣液兩相的壓力差是氣泡膨脹的動力，由此引起氣液兩相的動量傳遞，動量傳遞的作用使氣液兩相發(fā)生質(zhì)量和熱量傳遞，它們隨動量傳遞一起作用于氣泡膨脹過程中，影響氣泡膨脹。
3結(jié)語總之，本文從氣泡膨脹系統(tǒng)熱力學問題分析入手，運用流體動力學和熱力學的有關(guān)理論知識，闡明了氣泡膨脹熱動力問題的本質(zhì)，根據(jù)熵增加原理推導出氣泡膨脹的條件，分析了氣泡膨脹的方向，得知氣泡膨脹的動力是氣液兩相間的動量傳遞，即氣液兩相間的壓兩相氣體組分化學勢差異、導致氣液兩相質(zhì)量擴散的根本原因，也是導致氣相溫度變化產(chǎn)生氣液兩相熱量傳遞的根本原因，為進一步研究氣泡膨脹系統(tǒng)的熱力學問題奠定了理論基礎(chǔ)。
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