摘要
热塑性聚氨酯弹性体(TPU)发泡颗粒因其高弹性、机械强度高、耐化学品腐蚀等特点被广泛应用在隔音、运动护具、包装、航空航天等领域。虽然TPU发泡材料已被广泛应用，但其制备过程仍有很多方面需要改进优化，如降低设备成本、提高生产效率、优化制品性能等，其中发泡设备的构建和工艺的改进一向是该领域关注的热点。本文构建了高压釜发泡装置，并对TPU及其复合材料的发泡过程进行数值和实验研究，探究了工艺参数与泡孔结构之间的联系，主要内容如下： 构建的高压釜发泡设备包含：超临界气体输送与增压装置、高压釜发泡装置、控制及数据采集系统。高压釜设计中选取釜体材料并对釜体和釜盖进行厚度计算。密封结构中选取螺钉材料，计算其个数和间距。依据最大应力理论对釜厚和螺钉间距进行强度计算。泄压装置中选用针阀以达到不同泄压速率的要求。控制及数据采集系统可以控制高压釜的温度、压力、发泡时间等工艺参数，并记录泄压阶段的压力、温度变化情况，同时具备数据导出功能。 基于传统的细胞模型，结合TPU高压釜发泡的实际工艺，建立了本实验中气泡长大的数学模型，并利用MATLAB软件中的Runge-Kutta法对其求解，得出以下结论：发泡温度和发泡压力的升高都利于气泡生长；零切粘度与表面张力的增大抑制了气泡生长；扩散系数的增大则促进气泡生长。通过响应面法设计TPU高压釜发泡实验，研究主要发泡参数对TPU泡孔结构的影响，结论如下：在一定范围内，温度、压力、泄压速率的增加能使得发泡倍率提升，同时能降低了泡孔边缘厚度。泡孔平均直径因温度升高而增大，压力和泄压速率的升高都利于泡孔密度的增加。通过Design-Expert软件对发泡实验结果进行分析，得到如下结论：当温度和压力共同增大时，泡孔平均直径、泡孔密度和发泡倍率均变大；当温度和泄压速率共同增大时，泡孔平均直径变化较小，但泡孔密度和发泡倍率均显著提高。 在上述研究的基础上，本文还对TPU/热塑性苯乙烯弹性体（TPS）复合材料进行发泡。分析实验结果得到结论：随着TPS含量逐渐升高（从0%升高到20%），发泡倍率减小了50%，而泡孔密度和泡孔平均直径均出现先减小后缓慢增大的变化。
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