鸡蛋为什么打不发？因为你发泡原理没学好_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2020-03-22 20:52
原创：中科院物理所
朋友圈前段时间风靡做凉皮，现在，他们把魔爪伸向了蛋糕，竟然还是电饭煲蛋糕！
脑子：我学会了，做出来的蛋糕是这个样子的
手：不，你不会，做成了“饼干”，还烤糊了
手：我太难了
做蛋糕有个很重要的步骤：鸡蛋的打发，如果这个步骤没做好，那么做出来的蛋糕就不是松软多孔的了。
鸡蛋的打发是不断将空气与蛋清混合，空气分散进入蛋清中，形成细密的泡沫。
鸡蛋的打发
而做馒头时的发面其实是发酵，酵母菌分解糖类，产生二氧化碳，面团变大变蓬松。
发面
注意观察的小可爱还会发现，蒸馒头的过程中有时候还会加入泡打粉，这是为什么呢？这是因为泡打粉中含有碳酸氢钠（小苏打），发面的时候碳酸氢钠遇酸会分解产生二氧化碳，也可以让面团更加蓬松。这是用化学方法让气体分散到流体当中。
这三个过程的相同点都是将气体分散进流体，进而制造疏松多孔的结构（比如泡沫）。不同之处在于，一个是用机械搅拌，一个是用生物方法（发酵），一个是用化学方法（碳酸盐遇酸产生二氧化碳）。
其实和制作蛋糕、馒头一样，塑料发泡也是将气体分散入流体的一个过程（顿时有点不敢直视做蛋糕了）。
说到塑料发泡，那就需要先说一下“发泡塑料”，这个词大家可能有点陌生，如果换成“泡沫塑料”，想必大家脑海中开始浮现出那种用于包装易碎货物的泡沫塑料板。
聚苯乙烯泡沫塑料板 | 来源：Wikipedia
泡沫塑料最初是由奥托·拜耳（Otto Bayer）和他的同事于1937年在德国勒沃库森的法本公司实验室发现的 [1]。他们通过实验应用加成聚合原理，利用液态异氰酸酯和液态聚醚或二醇聚酯生成一种有别于当时已发现的聚烯烃和缩聚生成塑料的新型塑料——聚氨酯。
奥托·拜耳在1952年展示他的发明——聚氨酯
泡沫塑料是以气体物质为分散相，以固体树酯为分散介质所组成的分散体，它是一类带有许多气孔的塑料制品。几乎所有的热固性和热塑性塑料都能制成泡沫塑料。
因为泡沫塑料内部充满了空气，所以它也就具有了一些特殊的性质：质量轻（毕竟大部分体积都是空气），导热系数低（塑料和空气导热性都不好），隔音绝热（多孔的东西都比较隔音）。因此泡沫塑料被广泛地应用于消音隔热、防冻保温、缓冲防震。
其实我还能装 | 来源：giphy
过一把大力士的瘾 | 来源：giphy
和发面、鸡蛋打发类似，塑料发泡也有所谓的机械法、物理法、化学法三种。唯独缺了生物法，可能是找不到吃塑料还产气的细菌和真菌吧~毕竟塑料的降解一直是个老大难的问题，不然也不会有“白色污染”了。
机械法，就是用强烈的搅拌将空气卷入树酯液，就像鸡蛋打发一样（充分说明了有个打蛋神器是有多么的重要）。
而物理法和化学法则需要添加点额外的东西了，比如发泡剂。之所以分为物理法和化学法，是因为塑料发泡时的气体来源不同，这也就将发泡剂分为了物理发泡剂和化学发泡剂。仅从名称上就可得知，物理发泡剂产生气体是通过物态变化（物理变化）——一般是从液态到气态；而化学发泡剂产生气体则是通过化学反应。
从理论上讲，任何能与树脂液混合，改变温度或压强条件后能汽化的材料，都可用来作为物理发泡剂。但实际上，物理发泡剂最好是在适当的条件能液化，这样可以与树脂液均匀混合。那么在正常的塑料加工温度（或低于这一温度）下，液态的发泡剂就能够汽化，使塑料发泡。
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物理发泡剂有氯氟烃类、烃类和压缩气体（如氮气和二氧化碳）。因为特定的温度或压力可以保证发泡剂以液态形式与树脂液混合，当改变温度或压力时就可使发泡剂发生汽化，即开始发泡。
例如，如果一种低沸点的烃类发泡剂被泵送至一台装有熔融塑料的挤塑机中，那么挤塑机内的高压就能使烃类发泡剂保持液态形式溶于聚合物中，当聚合物熔体出挤塑机时，骤然的压降即迫使发泡剂汽化，从而产生泡沫。简单气体，如氮气和二氧化碳则需要比烃类或氯氟烃类高得多的压力能达到这一结果。[2]
安装门之前会先喷塑料发泡 | 来源：giphy
生产特低密度泡沫塑料采用氯氟烃和烃类发泡剂效果极佳。其主要原因有两个。一是由于所需发泡剂之量极大（有时达到基质树脂重量的20%或更多），而这类发泡剂要比化学发泡剂便宜；二是与泡沫稳定化的热力学相关。要使泡沫稳定，必须在泡沫出现塌陷之前就改变聚合物流体的粘度。使用最广泛的烃类和氯氟烃类发泡剂，可以降低聚合物流体的粘度。当它们发生汽化而脱离聚合物流体时，流体的粘度升高了，就可减少为稳定泡沫所需的冷却费用。对于特低密度的泡沫塑料来说，这一点尤其重要。[2]
来源：giphy
如果发泡气体是通过混合原料的某些组分在过程中的化学作用而产生的，则这种制造方法称为化学法。按照发泡原理不同，工业上常用的化学法有两种：发泡气体是由特意加入的热分解物质（发泡剂）在受热时产生的；发泡气体是由形成聚合物的组分相互作用时所产生的副产物，或者是这类组分与其他物质作用的生成物。[3]
碳酸盐，比如碳酸氢钠，受热分解产生二氧化碳，所以最早被用做化学发泡剂（果然原理相通，碳酸氢钠遇酸产生二氧化碳的性质被用于发面）。
前面提到的聚氨酯就是异氰酸酯和多元醇通过缩聚反应而得到的，其中异氰酸酯与水反应生成二氧化碳气体，可以让聚氨酯发泡，所以水也是一种化学发泡剂。为了获得低密度的柔软泡沫塑料，还会加入前面提到的烃类发泡剂（物理发泡剂）作为辅助。
来源：giphy
氯氟烃，可能大家对它不熟悉。其实，它还有另一个名字——氟利昂。严格意义上来说，不是所有的氯氟烃都叫做氟利昂，只有科慕公司（2015年由杜邦公司剥离而成立）制造的R-12、R-13B1、R-22、R-502、R-503才被标记于氟利昂，氟利昂是这五种物质的商品名。
早期制冷机里面用的制冷剂是氨，但是这种物质比较危险（有腐蚀性），所以一直在寻求更加安全高效的制冷剂。1930年，通用汽车和杜邦共同开发出了二氟二氯甲烷（也就是上面提到的R12）这种制冷剂。
二氟二氯甲烷 | 来源：Wikipedia
氟利昂之所以是优良的制冷剂、发泡剂，正是因为它具有合适的沸点、蒸汽压。但现在我们知道，氟利昂的使用会破坏臭氧层，造成南北极的臭氧空洞。氟利昂中排放到大气中，在紫外线作用下会分解，产生游离的氯原子。氯原子充当催化剂的作用，使得臭氧不断分解。
北极地区在比正常年份温暖的1984年和极端寒冷的1997年产生的臭氧层破洞情况 | 来源：Wikipedia
随后，氢氟碳化合物（HFCs）开始取代氟氯碳化物（比如1,1,1,2-四氟乙烷，别名R-134a），然而研究显示氢氟碳化合物为超温室效应气体（比二氧化碳造成的温室效应还厉害，真的太难了）。其实，现在宣传的“无氟冰箱”其实应该叫做“无氯冰箱”更为合适，因为使用的制冷剂不含“氯”。至于为什么会叫做“无氟冰箱”，应该是无氟利昂的意思吧。
说了这么多发泡原理，可是小编的蛋糕依然做不好，多么想我的蛋糕能像下面这杯聚氨酯发泡塑料一样，黄澄澄且松软多孔有弹性呀~
参考资料
[1] 聚氨酯
[3] 发泡塑料