Microcellular plastic

Введение

Микроклеточный пластик, иначе известный как микроклеточная пена, представляет собой форму изготовленного пластика, изготовленного для содержания миллиардов крошечных пузырьков шириной менее 50 микрон (обычно 0,1 100 микрометров). Он образуется при растворении газа под высоким давлением в различные полимеры, опираясь на феномен термодинамической нестабильности, вызывающий однородное расположение газовых пузырьков, иначе известное как нуклеация. Его основная цель заключалась в сокращении использования 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. В качестве параметров конструкции, основанных на окончательной форме пены и процессе последующего формования, можно выделить тип штампа или формы, а также размеры пузырьков, или клеток, которые классифицируют материал как пену.

История

До 1974 года традиционные пены создавались с использованием метода, описанного в U. Патент под названием "Смешивание плавленого пластика и газа" в 1974 году. Выпуская газ, иначе известный как химический или физический раздувающий агент, на расплавленный пластик, твердый пластик превращался в традиционную пену. Результаты этих методов были крайне нежелательными. Из-за неконтролируемого характера процесса продукт часто был неравномерным, содержащим много больших пустот. В результате получена пенопласт с низкой прочностью и плотностью, с большими клетками в клеточной структуре. Недостатки этого метода привели к необходимости процесса, который мог бы сделать аналогичный материал с более выгодными механическими свойствами. Создание микроклеточных пенопластов, как мы знаем сегодня, было вдохновлено производством традиционных пенопластов. В 1979 году студенты магистратуры МТИ Дж. Э. Мартини и Ф. А. Уолдман под руководством профессора Нам П. Сух были аккредитованы с изобретением микроклеточных пластмасс или микроклеточных пен. Проводя экструзию под давлением и литье впрыска, их эксперименты привели к методу, который использовал значительно меньше материала и продукт с 5 30% меньше пустоты, которые были меньше 8 микрон в размере. С точки зрения механических свойств, прочность материала к разломам улучшилась на 400%, а устойчивость к распространению трещин увеличилась на 200%. Во-первых, пластик равномерно насыщается газом при высоком давлении. Затем температура повышается, вызывая термическую нестабильность в пластике. Для достижения стабильного состояния происходит нуклеация клеток. На этом этапе клетки, которые создаются, будут намного меньше, чем у традиционных пенопластов. После этого начинается рост клеток, или расслабление матрицы. Новизна этого метода заключалась в возможности контролировать механические свойства продукта путем изменения температуры и давления. Например, изменяя давление, можно сформировать очень тонкий внешний слой, делая продукт еще более прочным. Экспериментальные результаты показали, что это газ, который производит самую плотную пену. Другие газы, такие как аргон и азот, создавали пену с механическими свойствами, которые были немного менее желательными.

Prior to 1974, traditional foams were created using a method outlined in U. S Patent named Mixing of Molten Plastic and Gas in 1974. By releasing a gas, otherwise known as a chemical or physical blowing agent, over molten plastic, hard plastic was converted into traditional foam. The results of these methods were highly undesirable. Due to the uncontrolled nature of the process, the product was often non uniform, housing many large voids. In turn, the outcome was a low strength, low density foam, with large cells in the cellular structure. The pitfalls of this method drove the need for a process that could make a similar material with more advantageous mechanical properties. The creation of microcellular foams as we know today was inspired by the production of traditional foams. In 1979, MIT masters students J. E. Martini and F. A Waldman, under the direction of Professor Nam P Suh, are both accredited with the invention of microcellular plastics, or microcellular foams. By doing pressurized extrusion and injection molding, their experimentation led to a method that used significantly less material and a product with 5 30% less voids that were less than 8 microns in size. In terms of mechanical properties, the fracture toughness of the material improved by 400% and the resistance to crack propagation increased by 200%. First, plastic is uniformly saturated with gas at a high pressure. Then, the temperature is increased, causing thermal instability in the plastic. In order to reach a stable state, cell nucleation takes place. During this step, the cells created would be much smaller than that of traditional foams. After this, cell growth, or matrix relaxation would initiate. The novelty of this method was the ability to control the mechanical properties of the product by varying the temperature and pressure inputs. For example, by modifying the pressure, a very thin outside layer could be formed, making the product even stronger. Experimental results found to be the gas that produced the densest foams. Other gases, such as Argon and Nitrogen produced foams with mechanical properties that were slightly less desirable.

Производство

При выборе газа для получения желаемой пены учитываются функциональные требования и параметры конструкции. Функциональные требования идентичны критериям, используемым при изобретении этого типа материала; использование меньшего количества пластика без потери механических свойств (особенно прочности), которые способны создавать те же трехмерные продукты, что и оригинальный пластик. Производство микроклеточных пластмасс зависит от температуры и давления. Растворение газа при высокой температуре и давлении создает движущую силу, которая активирует участки нуклеации, когда давление падает, что экспоненциально увеличивается с количеством растворенного газа. Прочность на растяжение материала линейно уменьшается с плотностью материала, поскольку в деталь растворяется больше газа. Температура плавления и вязкость также снижаются. Сам процесс инъекции пены вводит поверхностные дефекты, такие как следы вихря, полосы и пузырьки, которые также влияют на то, как деталь реагирует на внешние силы.

Преимущества и недостатки

Благодаря не опасным свойствам процесса производства пены, эти пластмассы могут быть переработаны и возвращены в производственный цикл, что позволяет сократить их углеродный след, а также снизить стоимость сырья. Благодаря пористой природе этого материала, общая плотность намного ниже, чем у любого твердого пластика, что значительно снижает вес на единицу объема части. Это также влечет за собой меньшее потребление необработанной пластмассы с добавлением крошечных карман, заполненных газом, что позволяет сократить расходы до 35%. часто называют отраслевым стандартом для микроклеточных пластмасс с использованием технологии формования MuCell®. Trexel и другие производители микроклеточных пластмасс используют методы литья и формования для создания продуктов для таких приложений, как автомобильная промышленность, медицина, упаковка, потребительская и промышленная промышленность. Формование инъекционным способом и формование дуновением отличаются по типу продукта, который необходимо изготовить. Формирование инъекционным методом, подобно литью, сосредоточено на создании формы для твердого объекта, который позже должен быть заполнен расплавленным пластмассой. С другой стороны, формование вдохом более специализируется на полых объектах, хотя оно менее точно с точки зрения толщины стенки, причем это измерение является неопределенной особенностью (в отличие от формы инъекционного формования, где все измерения заранее определены). В отношении MuCell® и микроклеточных пластмасс эти процессы отличаются от процессов традиционных пластмасс из-за дополнительных стадий газового растворения и нуклеации клеток до начала процесса формования. Этот процесс устранял "фазу упаковки и удержания", которая позволяла иметь несовершенства в форме, создавая готовый продукт с большей точностью измерений и здоровой структурой. Устранение целого этапа процесса формования экономит время, что делает MuCell® более экономичным вариантом, поскольку за одно и то же время можно изготовить больше деталей по сравнению со стандартными смолами. Некоторые примеры применения включают автомобильные приборные панели, сердечные насосы, контейнеры для хранения и корпуса нескольких бытовых электроинструментов.

Due to the non hazardous nature of this foam generating process, these plastics are able to be recycled and put back into the production cycle, reducing their carbon footprint as well as reducing the cost of raw materials. With the porous nature of this material, the overall density is much lower than that of any solid plastic, considerably dropping the weight per unit volume of the part. This also entails less consumption of raw plastic with the addition of the tiny gas filled pockets, allowing for further cost reduction, up to 35%. is often referred to as the industry standard for microcellular plastics with their use of MuCell® Molding Technology. Trexel, and other manufacturers of microcellular plastics, use both injection molding and blow mold methods to create products for applications such as automotive, medical, packaging, consumer, and industrial. Injection molding and blow molding differ in regards to the type of product in need of being manufactured. Injection molding, much like casting, is centered around creating a mold for a solid object, which is to later be filled in with the molten plastic. Blow molding on the other hand, is more specialized for hollow objects, although it is less accurate regarding wall thickness with this dimension being an undefined feature (unlike in an injection mold where all dimensions are predetermined). In respect to MuCell® and microcellular plastics, these processes vary from that of traditional plastics due to the additional steps of gas dissolving and cell nucleation before the molding process can begin. This process removed the "pack and hold phase" that allowed for imperfections within a mold, creating a finished product with greater dimensional accuracy and sound structure. By removing an entire step of the molding process, time is saved, making MuCell® a more economical option since more parts can be manufactured in the same time compared to standard resins. A few examples of applications include automobile instrument panels, heart pumps, storage bins, and the housing on multiple household power tools.