חידושים בטכניקות עיבוד עבור פולימרים בלחץ גבוה

התפתחות עיבוד פולימר גבוה

פולימרים בעלי השפעה גבוהה הפכו הכרחיים על פני אינספור תעשיות - ממגרשים וכלי חשמל דיור למכשירים רפואיים ואריזות הגנה.מה קובע חומרים אלה מלבד זה היכולת שלהם לספוג אנרגיה ולעמוד בשבר תחת לחץ פתאומי.אבל פריצת הדרך האמיתית בביצועים שלהם לעתים קרובות אינה בכימיה פולימראית בלבד, אבל כיצד חומרים אלה מעובדים. במהלך העשור האחרון, טכניקות עיבוד יש מהפכה שקטה, המאפשרת להשיג רמות קשות יותר של אנרגיה, ולהפחית את צריכת אנרגיה, וצריכת אנרגיה קלה יותר, תוך כדי לחץ דם, ולהפחית יותר, ולהפחית את צריכת אנרגיה קל יותר, ולהפחית את צריכת אנרגיה קשה יותר, ולהפחית את צריכת אנרגיה.

מאמר זה בוחן את החידושים המשפיעים ביותר בשיטות עיבוד עבור פולימרים בעלי השפעה גבוהה, לחקור הן טכנולוגיות מתפתחות והן טכנולוגיות מתפתחות המעצבות מחדש את הנוף הייצור.כל טכניקה מביאה יתרונות נפרדים - בין אם באמצעות שינוי כימי, קצף דיוק, או ייצור תוספים - ויחד הם מצביעים לעבר עתיד שבו פולימרים בעלי השפעה גבוהה יכולים להיות מותאמים ליישומים תובעניים ביותר עם דיוק יוצא דופן.

יסודות: מדוע עיבוד של חומר להשפעה

לפני צלילה לחידושים ספציפיים, זה שימושי להבין מדוע עיבוד ממלא תפקיד קריטי כל כך בקביעת המאפיינים הסופיים של פולימרים בעלי השפעה בינונית. בניגוד לתרמופלסטיקה סטנדרטית, פולימרים בעלי השפעה גבוהה מכילים לעתים קרובות שלב גומי מפוזר (למשל, פוליבוטדין ב ABS או מחוקקים אקריליים ב PVC) שפועלים כגורם לחץ ופצח, את גודל הגומי, ואפקט הגומי, ישירות של חלקיקים קשים אלה.

שיטות עיבוד לאותיות - עיצוב דפוס, חדירה, ונפיחות עובש - באופן מיידי על מנת להמיס ערבוב ו Shear כדי לפזר את המנופים האלה.עם זאת, אם התערובת אגרסיבי מדי, חלקיקי גומי יכולים לפרק ולאבד את יעילותם. , שילוב לא מספיק מוביל לפיזור גרוע ותכונות השפעה לא עקביות.

עיבוד תגובתי: In-Situ Toughating

מכניזם והטבות

עיבוד תגובתי מייצג שינוי פרדיגמטי מן הגישה המסורתית "משלבת ראשונה, ואז צורה".בחזרה תגובתית (REX), לדוגמה, מונומרים, oligomers, או פולימרים פונקציונליים ניזונים ישירות לתוך החביקט extruder, שבו הם עוברים תגובות כימיות תחת טמפרטורה מבוקרת Shear. זה מאפשר ממריצים להיות מיוצר בתוך סיטקום, באופן אינטימי מפוזר בתוך הפטרי החממה.

היתרון המרכזי הוא כי חלקיקים מנטרלים נוצרים בדיוק היכן שהם נדרשים - בממשק בין שרשראות פולימריות - אשר משפר באופן דרמטי את דבקות חלקיקים-מטריקס. ⁇ זה קריטי כי אג"ח גרוע בין שלב גומי לבין ממטריקס נוקשה יכול למעשה להפחית את הנוקשות. תהליכי Reactive כגון ft copolymerization במהלך exion ליצור קשרים כימיים כי שלב העניבה יחד, מוביל לחומרים הרבה יותר לספוג אנרגיה לפני כישלונות.

דוגמאות מסחריות ובקשות

דוגמה בולטת היא הנוקשות של פולימיד (nylon) עם elastomers זכר-anhydride-grafted. במהלך רטידוד תגובתי, קבוצת הhydride מגיבה עם קבוצות קצה של amine של ניילון, יצירת קשר קוהנטי בין רכיבי elastomer לבין ממטריקס.

יישום נוסף גדל הוא ביופוחיות כמו חומצה פולילאקטית (PLA) בעוד PLA הוא מתפתל, פעיל תערובת עם פלסטיקסטיק מבוסס ביולוגית ו aoxide-inated crosslinker במהלך extrusion יכול להעלות את השקע שלו על מנת לפרוץ בין 4% ל -200%. שיפורים אלה מאפשרים אריזות חד-משמעיות-פעמיות כי היה בלתי אפשרי בעבר.

לקבלת יסודות של חדירה תגובתית, להתייעץ עם FLT:0 poliolefins.org סקירה טכנית של סקירה טכנית של ההרחבה 1.

אתגרים ומגמות עתידיות

עיבוד תגובתי דורש שליטה מדויקת על זמן מגורים, פרופיל טמפרטורה ועיצוב בורג. אזור תגובה מכוונן גרוע יכול לגרום extherms או המרה בלתי שלמה, המוביל לאיכות מוצר עקבית.עם זאת, התקדמות ניטור מקוון - כגון ליד ספקטרום ספקטרום קצר למדידה ו torque מדידה - עכשיו לאפשר משוב בזמן אמת, מה שהופך את התהליך חזק יותר.

מיקרו סלולרי Foaming: Lighter, Tougher, Greener

מ-Frandom Foams to Controlled Micro Structures

Foaming כבר זמן רב בשימוש כדי להפחית את המשקל ואת העלות החומרית בחלקים פולימרים.עם זאת, קצף כימי או פיזי מסורתי לייצר בועות גדולות יחסית (100-500 מיקרומטר) כי לעתים קרובות לפעול כמזהמים מתח, למעשה מחליש את החלק. קצף מיקרו סלולרי משנה את התמונה הזו על ידי יצירת בועות קטנות יותר ממיקרומטרים, בדרך כלל 0.1-5 מיקרומטר, עם דלקות מעל מיליארד תאים מעוקבים.

הפיזיקה מאחורי זה מסקרנת.כאשר בועה מיקרו סלולרית קטנה יותר מאשר גודל סדק קריטי עבור פולימר, זה לא יכול להפיץ סדק. במקום זאת, הבועות יכולות לפצח טיפים ואפילו לקדם אירועים מרובים מתפתלים - המנגנון העיקרי של אנרגיה-אבושע בפולימרים קשים רבים.התוצאה היא חומר שהוא עד 50% יותר משמר או אפילו עולה על ההשפעה של כוח מוצק.

חידושים ב- Cell Nucleation and growth control

פריצות דרך האחרונות להתמקד בשתי חזיתות: nucleation וייצוב.עבור nucleation, נוזלים סופר קריטיים - במיוחד פחמן דו חמצני או חנקן - מוזרקים לתוך ההיתוך פולימר בכמות בדיוק מ"ר תחת תנאי הלחץ הנכון וטמפרטורה, שלב אחד טפסים; אז, ירידה מהירה לחץ גורם ירידה הורגגן חד-פעמי.

בצד הייצוב, החוקרים פיתחו אסטרטגיות nano-reinforcement באמצעות משטחים של חימר או צינורות פחמן לשרת כמו אתרי גינון heterogeneous. חלקיקים אלה לא רק לקדם תאים דקים יותר אלא גם נוקשות קירות התא, מניעת קריסת. in polypropylene-clay nanocomposites, למשל, microcelling יכול להניב שיפורים של 30-60% על פני קצף פוליפרולן.

אימוץ תעשייתי ומקרה מחקר

תעשיית הרכב כבר מאיץ מוקדם.דלת לוחות, עמודי פנים, ומגן גוף עשויים מיקרו-פרופילן מיקרו-תא לשקול באופן משמעותי פחות מאשר עמיתים מוצק, עוזר יצרני רכב לעמוד מטרות כלכלת דלק.על פי מחקר מקרה על ידי המרכז להנדסה פולימר של אוניברסיטת ויסקונסין-מדסון, מגרפת הזרקת מיקרו-תאית ממומשת, השיגו השפעה שווה ערך אנרגיה לחלק מוצק תוך שימוש ב-18%.

עבור מבט עמוק יותר על תקני מדידה בגודל התא, בקר:0AS D7132 - שיטת מבחן סטנדרטי עבור Micro cell Foam DensityveFLT:1.

Extrusion: Co-Extrusion and Multilayer Structures

קישור ל-Surface and Core Properties

חדירה היא העבודה של עיבוד פולימרי, אבל הצורה המסורתית שלה יוצרת קטע צלב הומוגני. Co-exion overturns זה המגבלה על ידי שילוב של שני זרמי היתוך או יותר למות יחיד, ומייצר מבנה שכבתי. עבור פולימרים עתיר-אימפריאליסטים, co-trusion מאפשר למעצב להציב ליבה קשוחה, מגומיית לקליטה בין שכבות קשיחות, טרה-נגדיות, בהתאם ליישומים המיועדים על גבי יישום.

צינורות Multilayer ו גיליון מציעים הצעה ערכית משכנעת.לדוגמה, פרופיל פוליויניל chloride (PVC) עבור מסגרות החלון יכול להיות שכבת ליבה המכילה עומס גבוה של מנטר (כגון פוליאתילן הכלור) לעמוד מכות מקריות, בעוד השכבות החיצוניות משתמשות בנוסחאות מזג אוויריות יותר אשר מתנגדות לשפל של UV.

ביקורת: Morphology by Die Design

ההתקדמות בדינמיקה נוזלית חישובית (CFD) ו- Feedblock עיצוב עכשיו לאפשר שליטה מדויקת מאוד של שכבתיות - בתוך ±2%. Multi-manifold מת לאפשר לכל זרם להמיס להיות בלחץ עצמאי, למנוע את ההסתברות של זרימה כגון גלים או encapsulating פגמים.יתר על כן, כמה יצרנים עכשיו לשלב חיישנים משוב ביציאה למות כי להתאים את מהירות המשאבה בזמן אמת, להבטיח הפצה רב-חומרית עקבית אפילו כמה וכמה תעריפים משתנים כמו גם דרך תעריפים שונים.

מגמה אחת מתעוררת היא השימוש של מיקרו-שכבות co-exion, אשר יוצר מאות או אפילו אלפי שכבות ננומטריות משתנות. כאשר שכבה אחת היא פולימר רב-הבקר והשנייה היא אלסטומר, החומר המתקבל יכול להשיג קשיחות יוצאת דופן באמצעות עיוות שכבתי מחוספס. מחקר באוניברסיטת קלאב ריזרב הראה כי תערובת של 50/50 של פולימאט ופוליאורט עם 1,024 הייתה בעלת השפעה גבוהה יותר מ-15 פעמים של קומפקטית.

ייצור תוספתי: הדפסה של קשיחות לתוך Geometries מורכב

חידושים וחדשנות ל- 3D הדפסה

עד לאחרונה, הדפסה 3D של פולימרים בעלי השפעה גבוהה הייתה מוגבלת על ידי הזמינות של מזון מתאים קשקשים סטנדרטיים כמו PLA הם שופע, בעוד acrylonitrile אבל אדנין styrene (ABS) - פולימר פולימרן קלאסי גבוה מאוד - suffers מ דף מלחמה ושכבות גרועות כאשר מפרש דרך מדפסת שולחנית.

יצרנים כגון Mitsubishi Chemical ו- Covestro מציעים כעת filaments המכילים חלקיקים ליבת-הדל (CSR) חלקיקים. אלה כדורי גומי pre-dispersed להפחית את הנטייה של ABS לפצח בין שכבות, וכתוצאה מכך חלקים מודפסים עם Z-axis השפעה מתקרבת זה של חומר ממותק.

בהיתוך אבקת שומן (SLS) ושפל מהיר, הזמינות של אבקות פולימרים בלחץ גבוה התרחבה באופן דרמטי. . ניילון-12 ציונים עם ממריצים השפעה יכול להשיג התמחויות על פירוק של מעל 100%, מה שהופך אותם מתאימים אבטיפוס פונקציונלי וחלקי שימוש קצה בפנים אוויר.

Infill and Classd Properties

כלים עיצוב דיגיטלי מאפשרים כעת למהנדסים לתכנן תבניות תוך כדי שינוי מרחבי של צפיפות או אפילו חומרים שונים באותו הדפסה (באמצעות מערכות מרובות-נוזליות) זה אומר מרכיב יכול להיות ליבת רך, אנרגיה-מחילה ופגז חיצוני קשה - כל מה שמיוצר במחזור בנייה יחיד. מבנים כאלה אינם מסוגלים להשיג עם עובש מסורתי והם מוצאים יישומים במקרים של אוטופים, לוחות זמנים רובוטיים, ואפקטים רובוטיים לשרוד, תוך כדי לשרוד רכיבים רובוטיים לשרוד.

עבור סקירה של פולימרים בעלי השפעה ממותקת, ראה את ה-FLT:0 חומרים פולימרים של SME מדריך לייצור תוספים FLT:1.

מעבדים Simulation ו- Digital Twins

חיזוי ההשפעה לפני הנפילה

אחת החידושים המשתנים ביותר היא לא מכונת עיבוד אלא כלי תוכנה.חבילות סימולציה מסחריות - כגון Moldflow, Moldex3D ו- Sigmasoft - עכשיו משלב מודלים מיקרו-מכניים שצופים לא רק זרימה ועמוד מלחמה אלא גם את תכונות ההשפעה המתקבלות. על ידי הזנת מודל מורפולוגיה של בדיקות פולימרים ממות גומי (גודל, חלקיקים, ומרחק), סימולציה של התוכנה, לא ניתן לדמיון, ולא ניתן לדמיע, לא ניתן לדמיע, לדמיע, לא ניתן לדמיון, ולא לדמיע, לדמיע, לדמיע, לדמיע, לדמיון, לדמיינום, לדמיע, לדמיון, לדמיע, לדמיון, לדמיע, לדמיון, לדמיון, אפקט רב-מסוגל.

יכולת זו מקצרת את מחזורי הפיתוח באופן דרמטי.מהנדסים יכולים להתאים באופן אינטואיטיבי את מיקום השער, זמן הקירור ומהירות ההזרקה בסביבה הווירטואלית עד שכוח ההשפעה המדומה פוגש מפרטים – מבלי למצמץ קו ייצור.דיוק של המודלים האלה השתפר ל-10-15% מהתוצאות הניסוייות עבור ציונים רבים של ביצועים גבוהים.

תאומים דיגיטליים לאופטימיזציה מתמשכת

מעבר לסימולציה עיצובית, טכנולוגיה תאומים דיגיטלית מתחילה לחבר את המודל הווירטואלי עם נתוני חיישן בזמן אמת משורה של הזריקה או extrusion. טמפרטורה, לחץ, וחיישנים סטרימינג זרימה לתוך התאום הדיגיטלי, אשר כל הזמן משווה בין תנאים בפועל. כאשר סטייתות עולה על סף, המערכת עשויה להתאים טמפרטורות החביות או מהירות ברג כדי לשמור על פער עקבי של חומרים קשים.

עיבוד בר קיימא: סגירת ה- Loop

עיבוד חוזר ל-Recycled content

בעוד התעשייה נעה לכיוון כלכלה מעגלית, חידושים לעיבוד הם רתמו לשדרג פלסטיק ממוחזרים. פולימרים גבוהה-אימפריאליסטים בזרם הפסולת סובלים לעתים קרובות ממשקל מולקולרי מפגום והתנגדות מופחתת להשפעה. extrusion יכול לגלגל מחדש את שרשרת-extenders (למשל, די-או רב-תפקודי או מולטי-פוקסים) כי reactive extrusion יכול להחזיר את השרשרת-Virtual-rephlins, אפילו לפוליבות, אפילו, קרוב לפוליבות ממוחזרות, קרוב לפולימורמליות.

עיבוד של סוכנים עם נמוך-גלובלי

תהליך ההקצף עצמו הופך להיות ירוק יותר. סוכנים כימיים מסורתיים מפוצץ כגון azodicarbonamide לשחרר אמוניה פחמן חד תחמוצת פחמן. סוכנים חדשים יותר ממנועי התפוצצות פיזית המבוססים על הידרופורפריפין נמוך (HFOs) או אפילו נוזל CO2 להפחית את טביעת הרגל הסביבתית.מיקרו סלולרי עם CO2 גם מבטל את הצורך עבור פותרים אורגניים רבים לניקוי יישומים עבור חומרים פולי-מתים המבוססים על פוליאורנטי.

כיוונים עתידיים: ממעבדה ועד רצפת המפעל

עיבוד אולטרה-מעודכן

טכניקה אחת עדיין בשלב המחקר הוא חדירה מאוישת של קולית. רטטים גבוהים המופעלים על מנת להמיס יכול להפחית את הרגישות על ידי 30-50% ללא טמפרטורה, אשר משמרת את מוני ההשפעה הרגישים לחום. מחקרים ראשוניים מראים כי טיפול קולי יכול גם לקדם פיזור עדין יותר של חלקיקים גומי.אם בקנה מידה, זה יכול לאפשר ניסוחים גבוהים מאוד (תוכן גומי) כדי להיות מעובד כיום ללא מגבלות על ידי הגבלת זמן.

bio-Derived Impactifiers

קיימות גם היא נהיגה בחיפוש אחר מערכי השפעה המבוססים על ביולוגית.שמן אפרקסידן, פולי(farnesene), וננוקריסטלים של תאים נחקרים כפעילים מתחדשים. עיבוד ראקטיבי חיוני למילוי החומרים האלה על עצמות פולימר סינתטיות. תוצאות מוקדמות מצביעות על כך שכמות קטנה (3-5 אחוזים) של ביצועים כימיים של ננומטרים ללא השפעה פוליביתית מבטיחה של 40% על גבי עצמות פוליפרן.

למידה ב-Malt-state control

לבסוף, השילוב של AI לתוך בקרת תהליכים יהיה ככל הנראה הגבול הגדול הבא. אלגוריתמים למידה מחדש כבר הוכיחו את היכולת להתאים באופן אוטונומי את הפרמטרים של הזרקת הזרקת כדי לשמור על משקל ומידות עקביות.השתמש בכך כדי להשפיע על תכונות - על ידי שימוש סימולטורים המשפיעים בקונטי או חייטת לחות אקוסטית כמו משוב - הוא תחום פעיל של מחקר.

מסקנה: גבול חדש לפולימרים גבוהים

העשור האחרון היה עד האצה יוצאת דופן ב sophistication של טכניקות עיבוד עבור פולימרים בעלי השפעה גבוהה. reactively extruded בשלב מוטבעת מודטורים, בדיוק מבוקר מיקרו-תאיים, רב-שכבות משותפת, וייצור תוספת עם חומרים מזינים קשיחים הם כבר לא מחוסנים מעבדה - הם טכנולוגיות יקרות ערך המספקות ביצועים אמיתיים, שיטות אלה, להפחית את השימוש, וצריכת אנרגיה נמוכה יותר, כי הם כבר לא יכולים לשמור על ההשפעות הגיאוגרפיות או למנוע את כל כך, כמו גם את ההשפעה של אנרגיה נמוכה יותר.

ככל שהשדה מתקדם, ההתכנסות של סימולציה תהליכים, תאומים דיגיטליים ולמידה של מכונה יקל עוד יותר את הקשר בין תנאי עיבוד וביצועים של חלק אחרון. מעבדי פולימר אשר יאמצו את ההחידושים הללו יהיו יותר ממוצבים כדי לענות על דרישות תעשיות הדורשות רכיבים קלים, חזקים יותר ובעלי קיימא יותר. פולימרים גבוהים-אימפריאליסטים יישארו אבן הפינה של ייצור מודרני, והחוכמה שבה אנו מעבדים אותם רק כדי לקבוע כמה הם יכולים להיות מתוחכמות יותר.

לקריאה נוספת על מערכות יחסים יעילות בתהליך, ה-FLT:0Polyמעבד מחקר מרכז ההרחבה 1 מציע משאבים נגישים פתוחים, ו-FLT:2 מדע בדיוני פורטלFLT 3: מספק ביקורות עמיתים של המחקרים האחרונים.