Forskningssamarbejde kunne omforme sprøjtestøbning

Mens Ralph Colby kigger på mikroskopbilledet foran ham, han tror, ​​han kan finde på dem - "shish kebabs, " som polymerforskere kalder dem. Ingen ved med sikkerhed, hvad de er, men disse former, der dukker op på tilsyneladende uforudsigelige tidspunkter, hvor visse plasttyper afkøles, har stor indflydelse på plastiks overordnede egenskaber. Det er ikke en stor sag, når en plastikgaffel går i stykker, men hvis et lejebur på et fly skulle gå i stykker, det kan bringe mennesker i fare.

Colby har indgået et samarbejde med to andre Penn State-forskere for at få en bedre grundlæggende forståelse af, hvordan plastik afkøles fra en flydende til fast form ved sprøjtestøbning. Deres arbejde, som involverer nogle nye teknikker, hjælper allerede industripartnere.

"Ultimativt, vi håber at komme væk fra vores forskning med en bedre grundlæggende forståelse af, hvordan disse polymerer krystalliserer under strømning, og også viden til at sætte denne information ind i sprøjtestøbningssoftware, " sagde Colby, professor i materialevidenskab og teknik.

Fra pille til produkt

Det meste plast fremstilles ved sprøjtestøbning, en proces, hvorigennem små pellets af plast smelter, tvunget ind i en form af en form og hurtigt afkølet. I smeltet form, polymerer er som en skål spaghetti, med individuelle molekyler som en uorden af ​​nudler. Når de køler af, de begynder at danne en struktur, og denne proces er kendt som krystallisation. Måden krystaller dannes på kan påvirke styrken, holdbarhed og andre egenskaber ved materialet.

Målet med sprøjtestøbning er at få polymerer til at orientere sig og krystallisere på en bestemt måde. Det er ikke så enkelt som bare at opvarme og afkøle materialet; hellere, det kræver den rette mængde tryk og temperatur for at få de enkelte molekyler til at spille pænt med hinanden og komme i den rigtige rækkefølge.

Sprøjtestøbning er kompliceret nok til, at det kræver brug af software til at styre forskellige parametre på maskinen under hele processen. Denne software er baseret på data fra årtier siden, som hårdt trænger til at blive opdateret, sagde Alicyn Rhoades, assisterende professor i ingeniørvidenskab ved Penn State Behrend, som har et anerkendt plastteknisk teknologiprogram.

"Siden 1950'erne, polymeringeniører har designet produktionsprocesser som sprøjtestøbning med baseline -data, der blev genereret med plast, der ændrede sig 10 grader i minuttet - men i fremstilling, polymerer er udsat for afkøling med en hastighed på alt fra 10 til 1, 000 grader i sekundet, " hun sagde.

Varmeoverførselshastigheden, enten ind i eller ud af en polymer, gør en utrolig forskel i, hvordan en polymer opfører sig, når den først afkøles. Det ligner madlavning, sagde Rhoades. At sætte kagedej i ovnen giver et meget andet produkt end at lægge den på bagepladen.

Rhoades vidste, at hun ville være i stand til at opnå de varmeoverførselsniveauer, der var relevante for sprøjtestøbning, hvis hun brugte en enhed, der kaldes et flashdifferentialscanningskalorimeter, eller Flash DSC. Maskinen opvarmer små mængder polymerer op i tusinder af grader på en brøkdel af et sekund.

Rhoades begyndte at diskutere spørgsmålet med General Motors Company, og forskningskonceptet slog straks en akkord med deres polymeringeniører. I 2013 GM gav en gave til Penn State, så Rhoades kunne købe en Flash DSC.

"Grupper rundt om i verden bruger Flash DSC til at studere glas eller til farmaceutisk forskning, men vi er de første til at bruge det til plastteknik, " hun sagde.

Rhoades rejser ofte til University Park campus for sin forskning for at gøre brug af Materials Characterization Laboratory, en del af Materialeforskningsinstituttet. Laboratoriet er designet til at karakterisere, eller kvantificere egenskaberne ved, forskellige materialer.

I sin forskning, Rhoades vidste, at hun manglede et afgørende stykke:reologi, eller hvordan væsker opfører sig, mens de flyder.

"I sprøjtestøberen, du sætter den smeltede polymer under tryk og skyder den ligesom en sprøjtepistol ind i en form, "sagde hun." Jeg begyndte at indse, at der er så meget reologi, der fører til de sidste krystallisationsbetingelser. Sprøjtestøbningsprocessen er alt for kompliceret til at hoppe lige ind til sidst og tage en støbt del og arbejde ud fra det. "

Heldigvis, Rhoades kendte netop den person, der havde ekspertise inden for polymerreologi til at supplere hendes anvendte ingeniørbaggrund:Colby. De to havde mødt hinanden ved en National Science Foundation-begivenhed i Washington i 2014 og havde planlagt at samarbejde. En dag, mens du afleverer prøver på MCL, Rhoades dukkede uanmeldt op på Colbys kontor.

"Jeg lagde den på bordet og sagde grundlæggende:her er hvad jeg kan gøre men jeg har brug for en god samarbejdspartner på rheologisiden på grund af hvor meget polymerstrømmen driver krystallisation, " sagde hun. "Han sagde, at de allerede var begyndt at lave polymerkrystallisering ved langsom opvarmnings- og afkølingshastigheder, men de kunne ikke opnå høje hastigheder i deres laboratorium. Partnerskabet var indlysende og faldt fint på plads."

Arbejdet med Colby åbnede også døren til en anden samarbejdspartner, Scott Milner, William H. Joyce Chair Professor i Institut for Kemiteknik, hvis ekspertise i teoretisk polymerfysik tilføjede Rhoades' og Colbys baggrunde.

Bliver varmere (og køligere)

Størstedelen af ​​trioens eksperimenter efterligner, hvad der sker under sprøjtestøbning. De tager en prøve af materiale i fast form, opvarm det til lige over dets smeltepunkt, påfør en kraft på materialet for at simulere, hvordan det flyder ind i en sprøjtestøbeform, og derefter når prøven har fået lov til at køle af, de studerer det.

For at informere om, hvilke typer eksperimenter de skal køre, forskerne stoler på teorier om, hvordan polymerer bør opføre sig i forskellige sammenhænge. Det er her Milners ekspertise inden for teori kommer ind i billedet.

"Når du er en eksperimentator, du tænker måske, 'Hvordan kan jeg måle det bedre, end andre kan? Hvordan kan jeg opdage noget, som andre mennesker ikke kan opdage?'" sagde Milner. "Som teoretiker, du har altid haft i baghovedet, 'Hvordan kan jeg modellere dette?' og det ændrer dit perspektiv."

Milners arbejde i dette projekt involverer modellering af, hvad der sker med individuelle polymermolekyler, når de udsættes for kræfterne fra sprøjtestøbning. Han kører computersimuleringer, der løser fysikligninger for hvert molekyle, angiver, hvor hvert molekyle sandsynligvis vil bevæge sig i det næste øjeblik, og hvilken kraft det kan påføre nærliggende molekyler. Dette giver et billede af, hvordan molekyler sandsynligvis vil blive orienteret, når de afkøles til en statisk form. Den mængde computerkraft, der kræves til denne type arbejde, kan ikke udføres alene på et skrivebord; i stedet, Milner er afhængig af Penn State Institute for CyberScience's Advanced CyberInfrastructure, et robust sæt af forskningscomputerværktøjer, der er tilgængelige for Penn State-forskere.

Milner har samarbejdet med Colby siden han kom til Penn State i 2008. De to mødtes første gang for årtier siden, da Colby arbejdede for Kodak, og Milner var postdoc hos ExxonMobil. Milner nævner Colby som en af ​​grundene til, at han kom til Penn State.

"Jeg ville gerne vide, hvilken slags mennesker der var at samarbejde med, og det virkede attraktivt, at Ralph var i Penn State, " han sagde.

Deres samarbejde fik nye højder, da de to rådgav en kandidatstuderende fra 2012 til 2015. Det var på det tidspunkt, de begyndte at studere strømningens effekt på polymerkrystallisation. Da Rhoades havde forbindelse til Colby, trioen var klar til at dykke ned i spørgsmålet om flow-induceret krystallisering.

Allerede deres første forsøg har vist andre mysterier, der finder sted inden for flydende plast, der udsættes for strømning, ud over de lidt spontane riskorn og shish kebabs. For eksempel, hvis en polymer kun smeltes kortvarigt, det ser ud til at "huske" sin molekylære orientering som et fast stof, sagde Milner, og omkrystalliserer til det meget hurtigere, end hvis det forblev i flydende form i længere tid.

"Juryen er stadig i tvivl om, hvorvidt jeg eller andre teoretikere vil være i stand til bedre at beskrive, hvad der foregår ved hjælp af matematiske modeller, " sagde Milner, "men vi har et meget klarere billede af, hvad der foregår fra de eksperimenter, vi allerede har lavet."

Retooling sprøjtestøbning

Hvert nyt eksperiment, holdet tager på, er endnu et forsøg på at kigge ind under hætten af ​​polymerkrystallisering, og deres mål er at bruge denne nye viden til at opdatere sprøjtestøbningssoftware. Dette kan spare virksomheder for hundredtusinder af dollars, sagde Rhoades, udover at sikre deres produkters holdbarhed.

"At skære en stålform, det kan let koste mere end $ 100, 000, "sagde hun." Hvis du så finder ud af, at din form skal justeres, fordi softwaren er slukket, et firma skal muligvis skrotte sin form og bygge en ny. "

Holdet har arbejdet tæt sammen med to store aktører i plastindustrien:GM, som laver en række produkter til bilindustrien, og SKF, som er specialiseret i high-end engineering termoplast til flyindustrien. Noget af deres arbejde bliver allerede ført ind i sprøjtestøbningssoftware, så det mere præcist forudsiger, hvordan det endelige plastikprodukt vil opføre sig.

Men der er stadig meget arbejde at gøre, og mange ubekendte at løse. Nøglen til at gøre flere fremskridt, Rhoades mener, ligger ikke i, at én person undersøger problemet, men i en kollaborativ tilgang.

"You can't make the type of progress we've made without having a team that spans the discipline, " she said. "Our work so far has been eye-opening and very exciting. We're showing that we're able to open a new chapter on polymer crystallization."