超临界二氧化碳在工业上的应用

　　摘要：超临界二氧化碳具有其他超临界流体不可比拟的优势，因此，引起了研究者广泛的兴趣。本文简单的介绍了超临界二氧化碳的优点，如具有两极性、良好的流动性和扩散性等。综述了超临界二氧化碳在降低高分子聚合物粘度中的应用以及在制备微孔塑料中应用、原理和研究进展，超临界二氧化碳作为绿色的介质，将会有更广阔的应用价值。　　关键词：超临界 二氧化碳 增塑性 发泡剂 粘度　　在最近几年来，超临界流体因对高分子聚合物的优异增塑作用、优良的传递性能和参数可调节性，使超临界流体得到了突飞猛进的发展，并具有更高的应用价值。在众多超临界流体中，超临界二氧化碳具有其他超临界流体不可比拟的优势，因为我们就与二氧化碳接触，其无毒、无味、非可燃性物质，并且二氧化碳的超临界条件比较低，工业上易于达到，并且超临界二氧化碳具有良好的流动性和扩散性。当超临界二氧化碳参与反应时，体现了优异的溶解速率和传质速率。超临界二氧化碳即可以与极性物质相容也可与非极性物质相容，由于超临界二氧化碳具有优良的特征，因此引起了的许多化学科研工作者地兴趣，到目前为止，超临界二氧化碳主要以优良的增塑性和发泡性应用于挤出成型中。　　一、超临界二氧化碳在改变高分子聚合物粘度中的应用　　众所周知，高分子聚合物的粘度的高时，加工高分子聚合物成型是不利的，因此，需要改变高分子聚合物的粘度，首先我们先到的是增加温度来降低高分子聚合物的粘度，但这是往往也会增加成本，增大能耗，如果向高分子聚合物中加入低粘度塑化剂来降低其粘度，但很难分离出低粘度塑化剂，这将成品的性能和质量，使成品存在许多缺陷[1]。但超临界二氧化碳能够降低高分子聚合物的粘度，这是因为二氧化碳的超临界条件比较低，很容易达到，在二氧化碳变为超临界流体，使高分子聚合物的粘度降低，同时在低温度下达到熔融状态，并具有等量的流体性质，从而提高熔体流动特性，使挤出速度增加[2]。在二氧化碳气体变为超临界流体时，在这个过程中，二氧化碳是吸收热量，使环境温度降低，熔体温度降低，挤出速度和热能吸收率都将增大，从而使挤出物的物理性能提高，并且还能降低能量损失。二氧化碳通过增大压力的方法可从成品中逸出，保证了产品的优良性能和质量。　　超临界二氧化碳对高分子聚合物粘度的降低主要是两个机理：第一个机理是，高分子聚合物吸收二氧化碳，使链缠结降低，从而自由体积增加；第二个机理是，二氧化碳担任“分子润滑剂”角色，将这两个机理有机的结合在一起，便使高分子聚合物的粘度降低[1]。据数据表统计，超临界二氧化碳与超粘的高分子聚合物相溶成单一相时，对高分子聚合物粘度的降低可达到60%[3]。　　Elkovitch M.D.[1]、Hung Y.L.[4]、Siobhan O.M.[5]、Will Strauss[6]、Jian X.Z.[7]等人都对超临界二氧化碳都有深入的研究，研究结果表明，高分子聚合物与超临界二氧化碳之间同时存在物理作用和化学作用；在较高的剪切速率条件下，超临界二氧化碳对高分子聚合物的影响将会消失，粘度趋于稳定；在一定条件下，超临界二氧化碳作为增塑剂，得到的致密的产品。　　二、超临界二氧化碳在微孔塑料制中的应用　　二氧化碳对压力非常敏感，当降低压力时，二氧化碳将从高分子聚合物中逸出，高分子聚合物处于过饱和状态，使系统的热力学处于不稳定状态，从而有固相生成，即在高分子聚合物中有许多微小的晶核，当系统热力学稳定时，晶核停止长大，二氧化碳也不逸出，将有微泡结构的高分子聚合物材料产生[8]。采用超临界技术制备微孔高分子聚合物可到较致密、较小的泡孔直径，具有较大的传质系数高，缩短制备微孔高分子聚合物的时间Martini-Vvedensky等人[9]和Hardenbrook等人[10]研究了微孔塑料连续挤出的概念，并申请了专利。Park C.B.等人[11]申请了用喷嘴快速降低通过调节关键参数压降改变聚合物/气体系成核。在国外，将超临界二氧化碳用于制备微孔塑料中已经和成熟。在国内傅志红等人[12-17]推到出计算成核密度以及成核时间的公式，并建立了相应的数学模型，得到超临界二氧化碳的气泡的计算公式。随后伍海尉[18]、牟文杰[19-21]、腾建新[22]、陈国华[23，24]等也做了关于超临界二氧化碳方面的研究。并得到了相应的计算过公式，各种因素对气泡核的影响，进而做出了全面的分析。　　三、结论　　超临界二氧化碳作为绿色介质，在高分子聚合领域中引起了研究热潮，并且有一定的研究成果，也已经应用得到制备高分子聚合物成品中，随着后续的开发，研究，超临界二氧化碳应用到更多的方面，具有广阔的应用价值。　　参考文献　　[1]Elkovitch，M.D.，Lee，L.J.，Tomasko，D.L.Viscosity Reduction of Polymers b-y the Addition of Supercritical Carbon Dioxide in Polymer Processing[J].ANTEC1998：1407-1410.　　[2]Reedy，M.E.Chemical Assist Foaming and the Role of Supercritical Fulid in Extrus-ion[J].Polymer Process Engineering，1997，231：197-201.　　[3]David，P.，Kai，J.Injection Molding Innovation：the Microcellular Foam Process[J].Pl-astics Engineering，2001，（5）：46-51.　　[4]HungYu L.，HsiengCheng T.Viscosity Measurements on Polypropylene Mixed with S-uper critical Fluid at High Shear Rates[J].ANTEC 2002，78：3764-3768. 　　[5]Siobhan，O.M.，Kuldip，S.D.，Peter，R.H.Melt of Polymers Using Supercritic-al Fluids[J].ANTEC 2002，78：942-945.　　[6]Strauss，W.，Ranade，A.，Anne，N.，etal.Preparation and Characterization of Supe-rcritical CO2 Processed Polystyrene Nanocomposite Foams[J].48thInternational SAMPE S-ymposium 2003，5（10）：1171-1180.　　[7]JianXin Z.，Andrew，J.B.，Clive，J.R.，et al.Preparation of a Poly Molecular Weight Polyethylene Blend Using Supercritical Carbon Dioxide and the Identification o-f a Three-Phase Structure：An Atomic Force Microscopy Study[J].Macromolecules，2002，35（23）：8869-8877.　　[8]李海青，闫卫东.聚合物孔材料的合成与应用[J].高分子通报，2005，2（1）：25-30.　　[9]Massachusetts Institute of Technology.Microcellular Closed Cell Foams and Their Met-hod of Manufacture[P].USA：4473665，1984.　　[10]Eastman Kodak Company.Method for Producing Microcellular Foamed Plastic Materi-alwith Smooth Integral Skin[P].USA：4761256，1988.　　[11]Park，C.B.，Cheung，L.K.A Study of Cell Nucleation in the Extrusion of PP F-oams[J].Polymer Engineering and Science，1997，37（1）：1-10.　　[12]傅志红，唐少炎，王菊槐等.微孔塑料挤出成型的研究[J].塑料，2005，34（1）：77-82.　　[13]傅志红，彭玉成.新型包装材料微孔塑料的研究[J].中国包装，2000，20（5）：49-51.　　[14]傅志红，王洪，彭玉成.微孔塑料挤出成型中的成核密度及成核时间[J].中国塑料，2002，16（3）：43-45.　　[15]傅志红，彭玉成，王洪等.微孔塑料挤出成型中气泡成核的聚合物刷子模型[J].中国塑料，2002，16（7）：62-66.　　[16]傅志红，彭玉成，王洪.微孔塑料成型技术及关键步骤[J].塑料，2003，32（4）：46-52.　　[17]傅志红，李小东，胡爱武.熔体泵的研究及其在塑料成型中的应用[J].轻工机械，2002，16（3）：43-45.　　[18]伍海尉，赵良知.超临界CO2/PS微孔塑料挤出成型中成核数对气泡核自由长大的影响[J].广东化工，2005，（4）：15-18.　　[19]牟文杰，吴舜英.剪切条件对采用超临界CO2发泡时气泡成核的影响[J].中国塑料，2004，18（3）：71-76.　　[20]牟文杰，吴舜英.拉伸作用对采用超临界CO2发泡时气泡成核的影响[J].工程塑料应用，2004，32（5）：29-31.　　[21]牟文杰，吴舜英.光学成像技术在微孔泡沫塑料成型研究中的应用[J].工程塑料应用，2002，30（11）：22-24.　　[22]腾建新，吴舜英，田森平.剪切流场对塑料发泡成核行为的影响[J].材料科学与工程，2000，18（1）：66-69.　　[23]陈国华，彭玉成，颜家华.CO2/PS挤出微孔发泡成核数速率及其影响因素的研究[J].中国塑料，1999，13（2）：54-59.　　[24]陈国华，彭玉成，颜家华.CO2/PS挤出微孔发泡实验研究[J].高分子材料科学与工程，2000，16（3）：110-112.