下图为聚合物发泡过程示意图，气体溶解在聚合物基体中所形成的体系属于热力学不稳定系统，通过诱导气体成核并经历长大最终可得到微孔结构。发泡过程一般分为四步：

     第一步：气体在高温高压下溶解在聚合物中并形成均相体系；

     第二步：通过降低压力诱导成核；

     第三步：气泡长大并稳定；

     第四步：冷却成型得到发泡制品。

一、聚合物/气体形成均相体系

        对于以高压气体如CO₂或N₂为发泡剂的发泡成型方法中，要确保添加的发泡剂适量，才能形成均相体系。气体含 量过多则会导致发泡基体中产生大孔洞，影响制品的使用性能；气体含量少则泡孔结构不均匀。气体在聚合物中的溶解情况与整个体系的温度、压力以及气体的扩散速率有关。一般的情况下，温度一定时，压力越大，溶解度越大。在通常的发泡过程中，如釜压法，温度都是固定的，一般为聚合物的溶体温度，通入的气体压力远大于气体的饱和压力，以形成均相体系。气体的扩散速度快会减少气体在聚合物中的溶解时间，会缩短形成均相体系的时间。一般情况下，气体在聚合物溶体中的扩散速度和温度、压力以及浓度有关，温度越高，扩散度越大。

二、诱导成核

         发泡过程中的成核过程依然可以采用Gibbs的经典成核理论进行描述:过饱和聚合物-气体均相体系由于温度或压力波动导致体系热力学不稳定，气体分子开始聚集，当气泡尺寸小于临界尺寸时，气泡自发破灭；当气泡尺寸大于临界尺寸时，气泡会膨胀使体系自由能降低。成核过程影响泡孔的形态、泡孔密度以及最终制品的宏观密度、发泡倍率以及机械性质。在聚合物发泡成型的过程中主要有均相成核、异相成核和空穴成核三种成核机理。

         均相成核是指过饱和的气体/聚合物体系中的气体分子聚集开成小的气泡核的过程。理论上的均相成核中是不存在杂质和空穴的，每个气体分子都是理论上的成核点，但是均相成核所城南的自由能是最大的，一般不容易实现。而实际生产中，聚合物中会含有杂质和添加剂，而这些杂质和添加剂会成为异相成核 点，气体分子会优先吸附在异相杂质的表面，经成核、泡孔长大后聚集形成气泡。在气体、聚合物熔体、杂质因体三相共存的界面存在低能点，故成核 时气体分子优先在该界面处聚集成核。在杂质和成型设备的粗糙表面会吸附气体形成空穴，当过饱和度足够大时，空穴就会膨胀。空穴成核的自由能也较低，周围的气全分子也会优先聚集在空穴处而成核。

      在实际 生产中，是多种成核机理共同作用完成了成核的过程。由于聚合物中存在大量的杂质，容易形成异相成核；而由于气体的过饱和度很大，也容易形成均相成核和空穴成核 。

三、气泡长大和稳定

        气核形成后，聚合物基体中的大量气体分子通过扩散到达气核内，气核由此不断胀大，直至外部气体浓度与内部气体浓度相等时，气体在聚合物基体与气核内的扩散平衡时，气泡停止长大。此时再迅速降温冷却，聚合物基体冷却定型，得到最终的泡孔结构。影响气泡长大的因素有很多，如气体在聚合物中的溶解度和扩散度、聚合物的粘度、气体与聚合物的界面张力以及加工的温度和压力等工艺参数。主要的气泡长大模型理论有两种，即海岛模型和细胞模型。

     

          海岛模型也叫单气泡模型，是以单个气泡为研究对像，研究其在无限大的熔体中的气泡生长行为来探索气泡成长的原理和过程。该模型假定，离气泡表面无穷元处的气体浓度始终为初始的气体浓度，供气体膨胀的气体量是无限制的；气泡之间的距离很大，气泡之间的相互影响可以忽略。但是随着气泡的增大，在熔体中的气体浓度逐渐下降，可供膨胀的气体量逐渐减少；气泡孔径变大，气泡间的距离减少，气泡间会产生相互影响的作用。所以该模型只适用于描述气泡长大的前期，无法真实的描述泡孔的长大情况。

         细胞模型假定每个气泡都被一个熔体液膜包围，这个熔体液膜具有一定的有限体积并熔解了一定浓度的气体，仅在气泡内部和液膜熔解的气体之间发生气体的扩散 。研究证明PP-CO₂体系熔体强度对气泡长大的影响 ，高的熔体强度会阻碍气泡长大， 使气泡长大速率减慢，气泡尺寸减小，而聚合物粘弹性与气体压力对气泡长大的影响较小。高分子的形态对流变性质会产生影响，在PP分子链中引入支链能改善PP的发泡性能，高粘度（高熔体强度）会阻碍气泡长大，同时应变硬化以及聚合物的弹性都有利气泡的稳定。微孔注射发泡时， 在气泡长大一定的时间后，给予模腔一个额外保压压力，发现气泡破裂 及长大与额外的保压压力有关，但是细胞模型仍然忽略了泡孔之间的相互影响，泡孔之间的距离小于泡孔的直径，泡孔间的影响也是不可忽略的。

       

        体系中的气体含量是有限的，气泡并不会无限的膨胀，后期过程中如果熔体强度过低，会使得泡孔壁过薄而难以支撑气泡长大的压力，就会容易产生泡孔合并或是开裂的现象，影响泡孔的结构。聚合物所处的温度和熔体强度是影响泡孔结构的主要因素。气泡合并或开裂会影响泡孔的结构，进而影响产品的性能。因此从保持泡孔形态的角度，要提高熔体强度，提高泡孔壁的承压能力。

       

四、发泡剂

        发泡剂的主要作用就是在聚合物基体中引入气相物质，发泡剂可以本身就是气体，也可在一定的条件诱导下产生气体。根据气体的来源将发泡剂分为物理和化学发泡剂。

          

         1、物理发泡剂

               物理发泡剂是指在体系中通过温度或压力的变化而诱导其物理状态发生变化从而提供气体的一类物质，根据物理存在状态可分为气体和液体发泡剂，气体发泡剂常用的有氮气、CO₂等；液体发泡剂常用的有脂肪烃类。最早使用的发泡剂为氯氟烃类物质，其分子量低、沸点低接近室温、毒性低、不易燃、化学和热稳定性好、成本低，但会分解出氯原子，破坏臭氧层，已被大部分国家禁止。而氢氯烃和氢氟烃类发泡剂易燃且有毒。烷烃类发泡剂成本低、高的比体积、环保、与聚合物的相容性好，可用作多种聚合物的发泡剂，但烃类化合物易燃、易挥发，在实际生产中需加强安全措施。N₂和CO₂化学性质稳定、无毒、不易燃、来源丰富、价格便宜，而且CO₂在聚合物中的熔解度大且扩散系数高，能够很快很好的与聚合物形成均相体系。N₂在大多数聚合物中的熔解度低于CO₂，制备同样密度的发泡材料，所需的N₂压力高于CO₂的压力。

 

         2、化学发泡剂

               化学发泡剂的作用机理主要是利用高温下发生化学反应（通常为热分解型）产生大量的气体如CO₂或N₂等。无机类化学发泡剂主要有碳酸氢纳等，碳酸氢盐类发泡剂生的气体为CO₂，安全无污染、吸热分解、成核效果好，但是这一类发泡剂的分解温度低、分解范围宽，在加工过程中容易提前分解损失，且其分解速率大，气体 容易逃逸，泡孔结构形态不好；而且无机盐类在聚合物中的分散性差，限制其在聚合物发泡塑料中的应用，但随着表面处理等技术的进步，无机发泡剂的应用领域也在逐步拓宽。此类发泡剂一般用在橡胶类的聚合物发泡中，在塑料发泡制品中应用较少。

               聚合物发泡采用的主要是有机发泡剂，偶氮类发泡剂可以很好的分散在聚合物中、形成的气泡尺寸小而且分布均匀；偶氮类的发泡剂分解温度区间小，使用时比较容易控制工艺参数；揭帖氮类发泡剂高温分解时放出N₂，而N₂在聚合物基体中的扩散较慢，在适当的温度和压力条件下很难从基体中逃逸，故得到的是闭孔结构，应用最多的是偶氮二甲酰胺，即AC发泡剂，适合作为聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等树脂基本的发泡剂。一般的塑料加工温度都低于AC发泡剂的分解温度，故需要对发泡剂进行改性，以降低其分解温度。