Mikrozellulärer Kunststoff auch als mikrozellulärer Schaumstoff bezeichnet, ist eine Form aus hergestelltem Kunststoff, die speziell hergestellt wurde, um Milliarden kleiner Bläschen mit einer Größe von weniger als 50 Mikrometern (typischerweise 0,1 bis 100 Mikrometer) zu enthalten. Diese Art von Kunststoff wird durch Auflösen von Gas unter hohem Druck in verschiedenen Polymeren gebildet, wobei "thermodynamische Instabilitätsphänomene" die gleichmäßige Anordnung der Gasblasen bewirken, die auch als Nukleation bezeichnet wird. [1] Ihr Hauptzweck bestand darin, den Materialverbrauch zu reduzieren Beibehaltung wertvoller mechanischer Eigenschaften. Der Hauptraum für die Abweichung dieser Schäume ist das Gas, aus dem sie erzeugt werden. Die Dichte des fertigen Produkts wird durch das verwendete Gas bestimmt. Je nach verwendetem Gas kann die Dichte des Schaums zwischen 5% und 99% derjenigen des vorverarbeiteten Kunststoffs liegen. [2] Zu den Gestaltungsparametern, die sich mehr auf die endgültige Form des Schaums und den anschließenden Formungsprozess konzentrieren, gehören die Typ der zu verwendenden Form oder Form, sowie die Abmessungen der Blasen oder Zellen, die dieses Material als Schaum klassifizieren. [1] Da die Größe der Zellen nahe an der Wellenlänge des Lichts liegt, ist dies für gelegentliche Beobachter der Fall Schaumstoff behält das Aussehen eines festen hellen Kunststoffs.
Neueste Entwicklungen an der University of Washington haben nanozelluläre Schaumstoffe hervorgebracht. Diese Schäume zeichnen sich durch Zellgrößen im Bereich von 20-100 Nanometer aus. Auch am Indian Institute of Technology Delhi werden neue Technologien entwickelt, um mikrozelluläre Schaumstoffe hoher Qualität herzustellen. [3][4]
Geschichte [ edit
Vor 1974 wurden traditionelle Schaumstoffe unter Verwendung einer Methode hergestellt beschrieben in US-Patent Mischen von geschmolzenem Kunststoff und Gas von 1974. [5] Durch Freisetzen eines Gases, das sonst als chemisches oder physikalisches Treibmittel bekannt ist, über geschmolzenem Kunststoff wurde Hartplastik in traditionellen Schaumstoff umgewandelt. Die Ergebnisse dieser Verfahren waren äußerst unerwünscht. Aufgrund der unkontrollierten Natur des Prozesses war das Produkt oft nicht einheitlich und enthielt viele große Hohlräume. Das Ergebnis war wiederum ein Schaum mit geringer Festigkeit und geringer Dichte mit großen Zellen in der Zellstruktur. Die Tücken dieser Methode führten zu der Notwendigkeit eines Prozesses, der ein ähnliches Material mit günstigeren mechanischen Eigenschaften herstellen könnte.
Die Herstellung von mikrozellularen Schaumstoffen, wie wir sie heute kennen, wurde von der Herstellung traditioneller Schaumstoffe inspiriert. 1979 wurden die MIT-Masterstudenten JE Martini und FA Waldman unter der Leitung von Professor Nam P Suh beide mit der Erfindung von mikrozellularen Kunststoffen oder mikrozellularen Schaumstoffen akkreditiert. [6] Durch Experimentieren mit Druckextrusion und Spritzgießen führten ihre Experimente dazu Eine Methode, die wesentlich weniger Material und ein Produkt mit 5-30% weniger Hohlräumen mit einer Größe von weniger als 8 Mikrometern verwendete. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften verbesserte sich die Bruchzähigkeit des Materials um 400% und die Beständigkeit gegen Rissausbreitung um 200%. Erstens wird Kunststoff unter hohem Druck gleichmäßig mit Gas gesättigt. Dann wird die Temperatur erhöht, was zu einer thermischen Instabilität des Kunststoffs führt. Um einen stabilen Zustand zu erreichen, findet eine Zellkernbildung statt. Während dieses Schrittes wären die erzeugten Zellen viel kleiner als die von herkömmlichen Schaumstoffen. Danach würde Zellwachstum oder Matrixrelaxation beginnen. Die Neuheit dieser Methode bestand in der Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften des Produkts durch Variation der Temperatur- und Druckeingaben zu steuern. Beispielsweise kann durch Modifizieren des Drucks eine sehr dünne äußere Schicht gebildet werden, wodurch das Produkt noch stärker wird. Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass CO2 das Gas ist, das die dichtesten Schäume erzeugt. Andere Gase wie Argon und Stickstoff erzeugten Schaumstoffe mit mechanischen Eigenschaften, die etwas weniger wünschenswert waren.
Produktion [ edit ]
Bei der Auswahl eines Gases zur Erzeugung des gewünschten Schaums werden die funktionalen Anforderungen und Konstruktionsparameter berücksichtigt. Die funktionalen Anforderungen sind identisch mit den Kriterien, die bei der Erfindung dieser Materialart verwendet wurden. Verwendung von weniger Kunststoff ohne Einbußen bei den mechanischen Eigenschaften (insbesondere Zähigkeit), die die gleichen dreidimensionalen Produkte herstellen können wie der ursprüngliche Kunststoff.
Die Herstellung von mikroullösen Kunststoffen ist abhängig von Temperatur und Druck. Das Auflösen von Gas unter hoher Temperatur und hohem Druck erzeugt eine treibende Kraft, die die Keimbildungsstellen aktiviert, wenn der Druck abfällt und mit der Menge an gelöstem Gas exponentiell ansteigt. [1]
Homogene Keimbildung ist der Hauptmechanismus zur Erzeugung des Gases Blasen in der Zellmatrix. Die gelösten Gasmoleküle diffundieren bevorzugt zu Aktivierungsstellen, die zuerst kernhaltig sind. Dies wird verhindert, da diese Stellen nahezu gleichzeitig aktiviert werden, wodurch die gelösten Gasmoleküle im gesamten Kunststoff gleichmäßig und gleichmäßig verteilt werden.
Das Entfernen des Kunststoffs aus der Hochdruckumgebung führt zu einer thermodynamischen Instabilität. Durch Erhitzen des Polymers über die effektive Glasübergangstemperatur (des Polymer / Gas-Gemisches) schäumt der Kunststoff, wodurch eine sehr gleichmäßige Struktur kleiner Blasen erzeugt wird.
Mechanische Eigenschaften [ edit ]
Die Dichte von mikrozellularen Kunststoffen hat den größten Einfluss auf das Verhalten und die Leistung. [7] Die Materialzugfestigkeit nimmt mit zunehmender Materialdichte linear ab Gas wird in dem Teil gelöst. [8] Auch Schmelztemperatur und Viskosität nehmen ab.
Der Schauminjektionsprozess selbst führt Oberflächendefekte wie Verwirbelungsspuren, Streifen und Blasenbildung ein, die auch die Reaktion des Teils auf äußere Kräfte beeinflussen.
Vor- und Nachteile [ edit ]
Aufgrund der ungefährlichen Natur dieses Schaumerzeugungsprozesses können diese Kunststoffe recycelt und in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden. Verringerung des CO2-Fußabdrucks sowie Reduzierung der Rohstoffkosten.
Aufgrund der porösen Beschaffenheit dieses Materials ist die Gesamtdichte viel niedriger als die eines festen Kunststoffs, wodurch das Gewicht pro Volumeneinheit des Teils erheblich gesenkt wird. Dies führt auch zu einem geringeren Verbrauch von Rohkunststoff durch Hinzufügung der winzigen, mit Gas gefüllten Taschen, was eine weitere Kostenreduzierung von bis zu 35% ermöglicht. [1]
Bei der Beobachtung der mechanischen Eigenschaften dieser Schaumstoffe ein Verlust an Zugfestigkeit korreliert mit der Abnahme der Dichte auf nahezu lineare Weise. [2]
Industrielle Anwendungen [ ]
Seitdem die Schritte von der MIT-Forschung in den späten Jahren unternommen wurden In den 70er Jahren wurden mikrozelluläre Kunststoffe und ihre Herstellungsverfahren standardisiert und verbessert. Trexel Inc. [9] wird häufig als Industriestandard für mikrozelluläre Kunststoffe bezeichnet, wenn MuCell ® Molding Technology verwendet wird. Trexel und andere Hersteller von mikrozellularen Kunststoffen verwenden sowohl Spritzguss- als auch Blasformverfahren, um Produkte für Anwendungen in den Bereichen Automobil, Medizin, Verpackung, Verbraucher und Industrie zu entwickeln.
Spritzguss und Blasformen unterscheiden sich in der Art des Produkts, das hergestellt werden muss. Ähnlich wie beim Gießen wird beim Spritzgießen eine Form für ein festes Objekt geschaffen, die später mit dem geschmolzenen Kunststoff gefüllt werden soll. [10] Das Blasformen dagegen ist spezialisiert auf hohle Objekte, obwohl dies der Fall ist ungenauere Wandstärke, wobei diese Abmessung ein undefiniertes Merkmal ist (im Gegensatz zu einem Spritzgießwerkzeug, bei dem alle Abmaße vorbestimmt sind). [11] In Bezug auf MuCell und mikrozelluläre Kunststoffe unterscheiden sich diese Verfahren von herkömmlichen Verfahren Kunststoffe aufgrund der zusätzlichen Schritte der Gasauflösung und Zellkernbildung, bevor der Formprozess beginnen kann. Dieser Prozess entfernte die "Pack and Hold" -Phase, die Unvollkommenheiten in einer Form zuließ, und erzeugte ein Endprodukt mit höherer Dimensionsgenauigkeit und Klangstruktur. [12] Durch das Entfernen eines gesamten Schritts des Formungsprozesses wird Zeit gespart, wodurch MuCell ® eine wirtschaftlichere Option, da im Vergleich zu Standardharzen mehr Teile gleichzeitig hergestellt werden können. Einige Beispiele für Anwendungen sind Instrumententafeln für Kraftfahrzeuge, Herzpumpen, Aufbewahrungsbehälter und Gehäuse für mehrere Haushaltsgeräte.
Referenzen [ edit ]
- ^ a b [19589042] c d Suh, Nam P. (2003-10-01). "Einfluss mikrozellulärer Kunststoffe auf industrielle Praxis und akademische Forschung". Makromolekulare Symposien . 201 (1): 187–202. Doi: 10.1002 / masy.200351122. ISSN 1521-3900.
- ^ a b Miller, Dustin. "Mikrozelluläres Kunststofflabor - University of Washington". Fakultät.washington.edu . 2016-02-17 .
- ^ Abhishek, Gandhi (März 2013) abgerufen. "Ultraschallunterstütztes zyklisches Festschäumen zur Herstellung poröser Acrylnitril-Butadien-Styrol-Schaumstoffe mit sehr niedriger Dichte". Materialbriefe . 94 (94): 76–78. doi: 10.1016 / j.matlet.2012.12.024.
- ^ Gandhi, Abhishek (2014). "Ultraschall-induzierte Keimbildung in mikrozellulären Polymeren". Journal of Applied Polymer Science . 131 (18): keine Angabe. doi: 10.1002 / app.40742.
- ^ Greenberg, W. (12. März 1974), Mischen von geschmolzenem Kunststoff und Gas gewonnen 2016-02-07
- ^ Martini-Vvedensky, Jane E .; Suh, Nam P .; Waldman, Francis A. (25. September 1984), Mikrozelluläre geschlossenzellige Schaumstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung gewonnen 2016-02-07
- ^ Avalle, M. (März 2014). "Mechanische Eigenschaften und Schlagverhalten eines mikrozellularen Strukturschaums". Lateinamerikanische Zeitschrift für Festkörper und Strukturen . 11 (2): 200–222. doi: 10.1590 / S1679-78252014000200004 . 2016-02-17 .
- ^ Hu, Guanghong. "Mikrozellulärer Schaumspritzgießprozess" (PDF) . Abgerufen 2016-02-17 .
- ^ "Home".
- ^ "Spritzgießverfahren, Defekte, Kunststoff". www.custompartnet.com . 2016-02-17 .
- ^ "Blow Molding" abgerufen. www.custompartnet.com . 2016-02-17 .
- ^ "The Process" abgerufen. www.trexel.com . 2016-02-17 .
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