Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Microcellular )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Микропористый пластик , также известный как микропористый пенопласт , представляет собой форму промышленного пластика, в котором содержатся миллиарды крошечных пузырьков шириной менее 50 микрон (обычно 0,1–100 микрометров). Он образуется путем растворения газа под высоким давлением в различных полимерах, основываясь на явлении термодинамической нестабильности, вызывающем однородное расположение пузырьков газа, иначе известное как зародышеобразование . [1]Его основная цель заключалась в сокращении расхода материала при сохранении ценных механических свойств. плотность готового продукта определяется используемым газом. В зависимости от газа плотность пены может составлять от 5% до 99% от предварительно обработанного пластика. [2] Параметры проектирования, ориентированные на окончательную форму пенопласта и последующий процесс формования, включают тип используемой матрицы или формы, а также размеры пузырьков или ячеек, которые классифицируют материал как пену. [1] Поскольку размер ячеек близок к длине волны света, для стороннего наблюдателя пена сохраняет вид твердого светлого пластика.

Микрофотография микроклеточного пластика, разработанная в Индийском технологическом институте, Дели.

Недавние разработки в Вашингтонском университете позволили получить наноячеистую пену с размером ячеек в диапазоне 20-100 нанометров. В Индийском технологическом институте Дели разрабатываются технологии производства высококачественных микропористых пен. [3] [4]

История [ править ]

До 1974 года традиционные пены создавались с использованием метода, описанного в патенте США под названием « Смешивание расплавленного пластика и газа» в 1974 году. [5] При выпуске газа, иначе известного как химический или физический вспениватель, поверх расплавленного пластика, твердый пластик создавался. превращается в традиционную пену. Результаты этих методов были крайне нежелательными. Из-за неконтролируемого характера процесса продукт часто был неоднородным, в нем было много больших пустот. В свою очередь, в результате получился пеноматериал низкой прочности и низкой плотности с крупными ячейками в ячеистой структуре. Из-за недостатков этого метода возникла необходимость в процессе, позволяющем производить аналогичный материал с более предпочтительными механическими свойствами.

Создание микропористых пен, которые мы знаем сегодня, было вдохновлено производством традиционных пен. В 1979 году студенты магистратуры Массачусетского технологического института Дж. Э. Мартини и Ф. А. Вальдман под руководством профессора Нам П Су были аккредитованы в области изобретения микроклеточных пластиков или микропористых пен. [6]Выполняя экструзию под давлением и литье под давлением, их эксперименты привели к методу, в котором использовалось значительно меньше материала и к продукту с на 5-30% меньше пустот размером менее 8 микрон. Что касается механических свойств, вязкость разрушения материала улучшилась на 400%, а сопротивление распространению трещин увеличилось на 200%. Во-первых, пластик равномерно насыщается газом под высоким давлением. Затем температура повышается, что вызывает термическую нестабильность в пластике. Для достижения стабильного состояния происходит зарождение клеток. На этом этапе созданные ячейки будут намного меньше, чем у традиционных пенопластов. После этого начнется рост клеток или релаксация матрикса. Новизна этого метода заключалась в возможности контролировать механические свойства продукта путем изменения входных значений температуры и давления.Например, изменяя давление, можно сформировать очень тонкий внешний слой, что сделает продукт еще более прочным. Найдены экспериментальные результатыCO2 - это газ, из которого образуется самая плотная пена. Другие газы, такие как аргон и азот, давали пену с несколько менее желательными механическими свойствами.

Производство [ править ]

Схематический пример общего производственного процесса 1. Полимерная основа (красная) сжижается и добавляется. 2. В полимерную смесь вводят точное количество сверхкритической жидкости (синего цвета), такой как азот или углекислый газ. 3. Гомогенное перемешивание для создания однофазного раствора (пурпурный). 4. Полимер вводится в полость формы. низкое давление заставляет ячейки сверхкритической жидкости образовывать зародыши и равномерно заполнять форму.

При выборе газа для получения желаемой пены учитываются функциональные требования и конструктивные параметры. Функциональные требования идентичны критериям, использованным при изобретении этого типа материала; использование меньшего количества пластика без ущерба для механических свойств (особенно прочности), которые позволяют изготавливать те же трехмерные изделия, что и оригинальный пластик.

Производство микропористых пластиков зависит от температуры и давления. Растворение газа при высокой температуре и давлении создает движущую силу, которая активирует центры зародышеобразования при падении давления, которое экспоненциально увеличивается с увеличением количества растворенного газа. [1]

Гомогенное зародышеобразование является основным механизмом образования пузырьков в клеточном матриксе. Молекулы растворенного газа имеют предпочтение диффундировать к центрам активации, которые зародились первыми. Это предотвращается, поскольку эти участки активируются почти одновременно, заставляя молекулы растворенного газа равномерно и равномерно распределяться по всему пластику.

Удаление пластика из среды высокого давления создает термодинамическую нестабильность. Нагревание полимера выше эффективной температуры стеклования (смеси полимер / газ) затем вызывает вспенивание пластика, создавая очень однородную структуру из маленьких пузырьков.

Механические свойства [ править ]

Плотность микропористого пластика оказывает наибольшее влияние на поведение и производительность. [7] Прочность материала на растяжение линейно уменьшается с плотностью материала по мере того, как в детали растворяется больше газа. [ необходима цитата ] Температура плавления и вязкость также снижаются.

Сам процесс впрыска пены приводит к появлению дефектов поверхности, таких как завитки, полосы и пузыри, которые также влияют на то, как деталь реагирует на внешние силы.

Преимущества и недостатки [ править ]

Благодаря неопасному характеру этого процесса образования пены, эти пластмассы могут быть переработаны и возвращены в производственный цикл, что снижает их углеродный след, а также снижает стоимость сырья.

Благодаря пористой природе этого материала общая плотность намного ниже, чем у любого твердого пластика, что значительно снижает вес единицы объема детали. Это также влечет за собой меньшее потребление сырого пластика за счет добавления крошечных газонаполненных карманов, что позволяет дополнительно снизить затраты до 35%. [1]

При наблюдении за механическими свойствами этих пеноматериалов потеря прочности на разрыв коррелирует с уменьшением плотности почти линейным образом. [2]

Промышленные приложения [ править ]

Со времени шагов, предпринятых исследованиями Массачусетского технологического института в конце 70-х годов, микросотовые пластики и методы их производства стали более стандартизованными и усовершенствованными. Trexel Inc. [8] часто называют в качестве промышленного стандарта для микросотовой пластмасс с их использованием MuCell ® Molding Technology. Trexel и другие производители микропористых пластиков используют методы литья под давлением и выдувания для создания продуктов для таких приложений, как автомобилестроение, медицина, упаковка, потребительские товары и промышленность.

Литье под давлением и выдувное формование различаются в зависимости от типа продукта, который необходимо производить. Литье под давлением, как и литье, сосредоточено на создании формы для твердого объекта, который впоследствии должен быть заполнен расплавленным пластиком. [9] Выдувное формование, с другой стороны, более специализировано для полых объектов, хотя оно менее точно в отношении толщины стенок, поскольку этот размер не определен (в отличие от пресс-формы для литья под давлением, где все размеры предопределены). [10] В отношении MuCell ®и микропористые пластики, эти процессы отличаются от традиционных пластмасс из-за дополнительных стадий растворения газа и зародышеобразования клеток перед началом процесса формования. В этом процессе была удалена «фаза упаковки и выдержки», которая допускала дефекты в форме, создавая готовый продукт с большей точностью размеров и надежной структурой. [11] Удаление всего этапа процесса формования позволяет сэкономить время, что делает MuCell ® более экономичным вариантом, поскольку за одно и то же время может быть изготовлено больше деталей по сравнению со стандартными смолами. Несколько примеров применения включают автомобильные приборные панели, сердечные насосы, контейнеры для хранения и корпуса для нескольких бытовых электроинструментов.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Сух, Нам П. (01.10.2003). «Влияние микросотового пластика на производственную практику и научные исследования». Макромолекулярные симпозиумы . 201 (1): 187–202. DOI : 10.1002 / masy.200351122 . ISSN  1521-3900 .
  2. ^ a b Миллер, Дастин. "Лаборатория микроклеточного пластика - Вашингтонский университет" . faculty.washington.edu . Проверено 17 февраля 2016 .
  3. Перейти ↑ Abhishek, Gandhi (март 2013). «Циклическое твердофазное вспенивание с помощью ультразвука для изготовления пористых акрилонитрил-бутадиен-стирольных пен сверхнизкой плотности». Материалы Письма . 94 (94): 76–78. DOI : 10.1016 / j.matlet.2012.12.024 .
  4. ^ Ганди, Абхишек (2014). «Вызванное ультразвуком зародышеобразование в микроклеточных полимерах». Журнал прикладной науки о полимерах . 131 (18): н / д. DOI : 10.1002 / app.40742 .
  5. ↑ Greenberg, W. (12 марта 1974 г.), Смешивание расплавленного пластика и газа , получено 07 февраля 2016 г.
  6. ^ Мартини-Введенский, Джейн Э .; Suh, Nam P .; Уолдман, Фрэнсис А. (25 сентября 1984 г.), Микроклеточные пенопласты с закрытыми порами и способ их производства , получено 07 февраля 2016 г.
  7. ^ Авалья, M. (март 2014). «Механические свойства и поведение при ударе микропористой структурной пены» . Латиноамериканский журнал твердых тел и структур . 11 (2): 200–222. DOI : 10.1590 / S1679-78252014000200004 .
  8. ^ "Дом" .
  9. ^ «Процесс литья под давлением, дефекты, пластик» . www.custompartnet.com . Проверено 17 февраля 2016 .
  10. ^ "Выдувное формование" . www.custompartnet.com . Проверено 17 февраля 2016 .
  11. ^ «Процесс» . www.trexel.com . Проверено 17 февраля 2016 .

См. Также [ править ]

  • акрилонитрил
  • бутадиен
  • стирол

Внешние ссылки [ править ]

  • Миллер, Дастин. "Лаборатория микроклеточного пластика - Вашингтонский университет" . faculty.washington.edu . Проверено 22 марта 2016 .