Teknik til at lave transparente polyethylenfilm så stærke som aluminium

Forskning ledet af professor Ton Peijs fra WMG ved University of Warwick og professor Cees Bastiaansen ved Queen Mary University of London, har udtænkt en forarbejdningsteknik, der kan skabe gennemsigtig polyethylenfilm, der kan være stærkere som aluminium, men til en brøkdel af vægten, og som kan bruges til ruder, forruder, visirer og skærme på måder, der tilføjer styrke og modstandsdygtighed og samtidig reducerer vægten.

I et nyt forskningspapir med titlen "Glaslignende gennemsigtige polyethylenfilm med høj styrke ved at justere tegningstemperaturen." Udgivet online i dag – 1. april 2019 – i tidsskriftet Polymer , forfatterne viser, at efter omhyggeligt valg af typen polyethylen og ved at justere temperaturen under skabelsen af ​​orienterede polyethylenfilm, kan der skabes en balance, der producerer et meget anvendeligt og let gennemsigtigt materiale med en betydelig styrke og elasticitet, der nærmer sig, og på nogle måder, overstiger metallernes.

Tidligere har alle, der ønsker at erstatte tunge og ofte skøre glas med en gennemsigtig plast, set på konventionel gennemsigtig plast som polycarbonat (PC) og poly(methylmethacrylat) (PMMA), som begge har relativt utilfredsstillende mekanisk ydeevne sammenlignet med et teknisk materiale som aluminium.

Nuværende metoder til at skabe højstyrke plastfilm såsom varmtrækning af højdensitetspolyethylen (HDPE) kan føre til materialer, der kan konkurrere eller endda udkonkurrere traditionelle ingeniørmaterialer som metaller.

"Mikrostrukturen af ​​polymerer før tegning minder meget om den i en skål kogt spaghetti eller nudler, mens molekylerne efter strækning eller tegning bliver justeret på en måde, der ligner den for ubehandlet spaghetti, hvilket betyder, at de kan bære mere last" forklarer Yunyin Lin, en ph.d. studerende i professorerne Peijs og Bastiaansens team.

Imidlertid, trukne polyethylenmaterialer har normalt et uigennemsigtigt udseende på grund af defekter og hulrum, der indføres ved tegneprocessen, begrænsende anvendelser, hvor både mekaniske egenskaber og optisk gennemsigtighed er påkrævet.

En vis succes er for nylig blevet opnået ved at bruge meget specifikke tilsætningsstoffer i varmttrukne HDPE-materialer, som derefter kan producere 90 % gennemsigtighed og samtidig give høj styrke. Imidlertid, forskerholdet ledet af professorerne Peijs og Bastiaansen har nu udviklet en ny efterfremstillingsteknik til HDPE, der giver styrke og modstandsdygtighed og samtidig bevare gennemsigtigheden uden brug af tilsætningsstoffer.

Forskerne tog HDPE polyethylenplader og trak disse plader ud ved en række temperaturer under smeltetemperaturen for HDPE. Ved at justere tegningstemperaturen kunne de opnå en gennemsigtighed på 90 % i det synlige område. Imidlertid, den bedste balance mellem styrke og gennemsigtighed blev opnået ved tegningstemperaturer mellem 90 og 110 grader celsius.

Professor Ton Peijs fra WMG ved University of Warwick sagde:

"Vi forventer, at større polymerkædemobilitet ved disse høje trækningstemperaturer er ansvarlige for at skabe færre defekter i de trukne film, resulterer i mindre lysspredning ved defekter og derfor en højere klarhed"

De meget transparente film har en maksimal elasticitet eller Young's Modulus på 27 GPa og en maksimal trækstyrke på 800 MPa langs tegneretningen, som begge er mere end 10 gange højere end for pc- og PMMA-plast. Til sammenligning, aluminium har et Young's Modulus på 69 GPa, og aluminiumslegeringer i rumfartskvalitet kan have trækstyrker op til omkring 500 MPa. Imidlertid, polyethylen har en densitet på mindre end 1000 kg/m3, mens aluminium har en densitet på omkring 2700 kg/m3, hvilket betyder, at disse højstyrke transparente polymerfilm på vægtbasis kan overgå sådanne metaller.

Professor Ton Peijs i WMG ved University of Warwick konkluderer, at:

"Vores resultater viste, at et bredt behandlingsvindue fra 90 °C til 110 °C kan bruges til at skræddersy den nødvendige balance mellem optisk og mekanisk ydeevne. Det forventes, at disse lette, lavpris, meget gennemsigtig, høj styrke og høj stivhed HDPE-film kan bruges i laminater og laminerede kompositter, udskiftning eller forstærkning af traditionelt uorganisk eller polymert glas til anvendelse i bilruder, bygninger, forruder, visirer, skærme osv."