Ny polymer fremstillingsproces sparer 10 størrelsesordener af energi

Producenter af biler, fly, busser - alt, der har brug for stærke, lette og varmebestandige dele - er klar til at drage fordel af en ny fremstillingsproces, der kun kræver en hurtig berøring fra en lille varmekilde for at sende en kaskade hærdende bølge gennem en polymer. Forskere ved University of Illinois har udviklet en ny polymerhærdningsproces, der kan reducere omkostningerne, nødvendig tid og energi, sammenlignet med den nuværende fremstillingsproces.

Fundene, rapporteret i Natur , anføre, at den nye polymerisationsproces bruger 10 størrelsesordener mindre energi og kan skære to størrelsesordener af tid over den nuværende fremstillingsproces. "Denne udvikling markerer, hvad der kunne være det første store fremskridt til den højtydende polymer- og kompositfremstillingsindustri i næsten et halvt århundrede, " sagde professor i rumfartsteknik og hovedforfatter Scott White.

"De materialer, der bruges til at skabe fly og biler, har fremragende termisk og mekanisk ydeevne, men fremstillingsprocessen er dyr i forhold til tid, energi og miljøpåvirkning, " sagde White. "Et af vores mål er at reducere omkostningerne og øge produktionen."

Tage, for eksempel, fly montage. For en stor amerikansk producent, processen med at hærde kun én sektion af et stort kommercielt passagerfly kan forbruge over 96, 000 kilowatt-timer energi og producere mere end 80 tons CO2, afhængig af energikilden, sagde White. Det er nogenlunde den mængde elektricitet, det tager at forsyne ni gennemsnitlige hjem i et år, ifølge U.S. Energy Information Administration.

"Flugflyproducenterne bruger en hærdeovn, der er omkring 60 fod i diameter og omkring 40 fod lang - det er en utrolig massiv struktur fyldt med varmeelementer, fans, kølerør og alle mulige andre komplekse maskiner, " sagde White. "Temperaturen hæves til omkring 350 grader Fahrenheit i en række meget præcise trin over en cirka 24-timers cyklus. Det er en utrolig energikrævende proces."

Holdet er en del af Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved University of Illinois i Urbana-Champaign og inkluderer White, kemiprofessor og Beckman Institute-direktør Jeffrey Moore, professor i rumfartsteknik og afdelingsleder Philippe Geubelle, og materialevidenskab og ingeniørprofessor Nancy Sottos. De foreslog, at de kunne kontrollere kemisk reaktivitet for at spare på polymerhærdningsprocessen. "Der er masser af energi lagret i harpiksens kemiske bindinger til at brænde processen, " sagde Moore. "At lære at frigøre denne energi i den helt rigtige hastighed - ikke for hurtigt, men ikke for langsomt - var nøglen til opdagelsen."

"Ved at berøre, hvad der i det væsentlige er en loddekolbe, til det ene hjørne af polymeroverfladen, vi kan starte en kaskadende kemisk reaktionsbølge, der forplanter sig gennem hele materialet, " sagde White. "Engang udløst, reaktionen bruger entalpi, eller polymerisationsreaktionens indre energi, at skubbe reaktionen fremad og hærde materialet, snarere end en ekstern energikilde."

"Du kan spare energi og tid, men det er ligegyldigt, hvis kvaliteten af ​​det endelige produkt er substandard, " sagde Sottos. "Vi kan øge produktionshastigheden ved at udløse hærdningsreaktionen fra mere end ét punkt, men det skal kontrolleres meget nøje. Ellers, mødestedet for de to reaktionsbølger kan danne en termisk spids, forårsager ufuldkommenheder, der kan nedbryde materialet over tid."

Holdet har vist, at denne reaktion kan producere sikker, højkvalitets polymerer i et velkontrolleret laboratoriemiljø. De forestiller sig, at processen kan rumme produktion i stor skala på grund af dens kompatibilitet med almindeligt anvendte fremstillingsteknikker som støbning, prægning, 3-D print og harpiksinfusion.