Terwijl Ralph Colby naar het microscoopbeeld voor hem tuurt, hij denkt dat hij ze kan onderscheiden - "shish kebabs, " zoals polymeerwetenschappers ze noemen. Niemand weet zeker wat ze zijn, maar deze vormen die verschijnen op schijnbaar onvoorspelbare tijden wanneer bepaalde kunststoffen afkoelen, hebben een grote impact op de algemene eigenschappen van kunststoffen. Het is niet erg als een plastic vork breekt, maar als een lagerkooi in een vliegtuig zou breken, het kan mensen in gevaar brengen.

Colby werkt samen met twee andere Penn State-onderzoekers om een ​​beter basisbegrip te krijgen van hoe kunststoffen afkoelen van een vloeibare naar vaste vorm bij spuitgieten. Hun werk, wat nieuwe technieken met zich meebrengt, helpt al industriepartners.

"Uiteindelijk, we hopen van ons onderzoek af te komen met een beter basisbegrip van hoe deze polymeren kristalliseren tijdens stroming, en ook de kennis om deze informatie in spuitgietsoftware te zetten, " zei Colby, hoogleraar materiaalkunde en techniek.

Van korrel tot product

De meeste kunststoffen worden geproduceerd door spuitgieten, een proces waarbij kleine korrels plastic worden gesmolten, gedwongen in een mal van een vorm en snel afgekoeld. In gesmolten vorm, polymeren zijn als een kom spaghetti, waarbij individuele moleculen een wanorde van noedels zijn. Terwijl ze afkoelen, ze beginnen een structuur te vormen en dit proces staat bekend als kristallisatie. De manier waarop kristallen worden gevormd, kan de sterkte beïnvloeden, duurzaamheid en andere eigenschappen van het materiaal.

Het doel van spuitgieten is om polymeren zich op een specifieke manier te laten oriënteren en kristalliseren. Het is niet zo eenvoudig als het materiaal alleen maar te verwarmen en af ​​te koelen; liever, het vereist de juiste hoeveelheid druk en temperatuur om individuele moleculen mooi met elkaar te laten spelen en in de juiste volgorde te krijgen.

Spuitgieten is zo ingewikkeld dat het het gebruik van software vereist om verschillende parameters van de machine gedurende het hele proces te regelen. Die software is gebaseerd op gegevens van decennia geleden die hard geüpdatet moeten worden, zei Alicyn Rhoades, assistent-professor engineering aan Penn State Behrend, die een gerenommeerd technologieprogramma voor kunststoftechnologie heeft.

"Sinds de jaren vijftig polymeeringenieurs hebben productieprocessen ontworpen zoals spuitgieten met basisgegevens die zijn gegenereerd met kunststoffen die 10 graden per minuut veranderen, maar in de productie, polymeren zijn onderhevig aan afkoeling met een snelheid van 10 tot 1, 000 graden per seconde, " ze zei.

De snelheid van warmteoverdracht, hetzij in of uit een polymeer, maakt een ongelooflijk verschil in hoe een polymeer zich gedraagt ​​als het eenmaal is afgekoeld. Het is vergelijkbaar met koken, zei Rhodes. Door cakebeslag in de oven te doen, krijg je een heel ander product dan het op de bakplaat te ploffen.

Rhoades wist dat ze in staat zou zijn om de niveaus van warmteoverdracht te bereiken die relevant zijn voor spuitgieten als ze een apparaat zou gebruiken dat bekend staat als een flash differentiële scanning calorimeter, of Flash-DSC. De machine verwarmt kleine hoeveelheden polymeren in een fractie van een seconde tot duizenden graden.

Rhoades begon de kwestie te bespreken met General Motors Company, en het onderzoeksconcept raakte meteen een snaar bij hun polymeeringenieurs. In 2013, GM deed Penn State een geschenk zodat Rhoades een Flash DSC kon kopen.

"Groepen over de hele wereld gebruiken de Flash DSC om glas te bestuderen of voor farmaceutisch onderzoek, maar we zijn de eersten die het gebruiken voor plastic engineering, " ze zei.

Rhoades reist vaak naar de campus van University Park voor haar onderzoek om gebruik te maken van het Materials Characterization Laboratory, onderdeel van het Materials Research Institute. Het lab is ontworpen om te karakteriseren, of kwantificeer de eigenschappen van, verschillende materialen.

In haar onderzoek heeft Rhoades wist dat ze een cruciaal stuk miste:reologie, of hoe vloeistoffen zich gedragen tijdens het stromen.

"In de spuitgietmachine je zet het gesmolten polymeer onder druk en schiet het net als een spuitpistool in een vormmal, " zei ze. "Ik begon te beseffen dat er zoveel reologie is die leidt tot de uiteindelijke kristallisatiecondities. Het spuitgietproces is veel te ingewikkeld om er aan het einde meteen in te springen en een gegoten onderdeel te nemen en van daaruit te werken."

Gelukkig, Rhoades kende precies de persoon die de expertise op het gebied van polymeerreologie had om haar toegepaste technische achtergrond aan te vullen:Colby. De twee hadden elkaar ontmoet tijdens een evenement van de National Science Foundation in Washington in 2014 en waren van plan om samen te werken. Op een dag, bij het afgeven van samples bij de MCL, Rhoades verscheen onaangekondigd bij Colby's kantoor.

"Ik legde het op tafel en zei eigenlijk:hier is wat ik kan doen, maar ik heb een goede medewerker nodig aan de reologiekant vanwege de mate waarin de polymeerstroom kristallisatie stimuleert, " zei ze. "Hij zei dat ze al begonnen waren met het kristalliseren van polymeren met lage verwarmings- en afkoelsnelheden, maar dat ze in hun laboratorium geen hoge snelheden konden bereiken. De samenwerking was duidelijk en viel mooi op zijn plek."

Werken met Colby opende ook de deur naar een tweede medewerker, Scott Milner, de William H. Joyce-leerstoelhoogleraar bij de afdeling Chemische Technologie, wiens expertise in theoretische polymeerfysica heeft bijgedragen aan de achtergronden van Rhoades en Colby.

Heter (en koeler) worden

Het grootste deel van de experimenten van het trio bootst wat er gebeurt tijdens het spuitgieten na. Ze nemen een monster van materiaal in vaste vorm, verwarm het tot net boven het smeltpunt, oefen een kracht uit op het materiaal om te simuleren hoe het in een spuitgietmatrijs stroomt en dan, nadat het monster is afgekoeld, ze bestuderen het.

Om te informeren welke soorten experimenten ze moeten uitvoeren, de wetenschappers vertrouwen op theorieën over hoe polymeren zich in verschillende contexten zouden moeten gedragen. Dat is waar Milners expertise in theorie om de hoek komt kijken.

"Als je een experimentator bent, je zou kunnen denken, 'Hoe kan ik dat beter meten dan anderen kunnen? Hoe kan ik iets detecteren dat andere mensen niet kunnen detecteren?'" Milner zei. "Als theoreticus, je hebt altijd in je achterhoofd, 'Hoe kan ik dit modelleren?' en dat verandert je perspectief."

Milners werk in dit project omvat het modelleren van wat er gebeurt met individuele polymeermoleculen als ze worden onderworpen aan de krachten van spuitgieten. Hij voert computersimulaties uit die natuurkundige vergelijkingen voor elk molecuul oplossen, geeft aan waar elk molecuul het volgende moment waarschijnlijk zal bewegen en welke kracht het kan uitoefenen op nabijgelegen moleculen. Dit geeft een beeld van hoe moleculen waarschijnlijk zullen worden georiënteerd zodra ze afkoelen tot een statische vorm. De hoeveelheid rekenkracht die nodig is voor dit soort werk kan niet op één desktop worden gedaan; in plaats daarvan, Milner vertrouwt op de geavanceerde cyberinfrastructuur van het Penn State Institute for CyberScience, een robuuste set onderzoekscomputertools die beschikbaar zijn voor onderzoekers van Penn State.

Milner werkt samen met Colby sinds hij in 2008 bij Penn State kwam. De twee ontmoetten elkaar tientallen jaren geleden, toen Colby voor Kodak werkte en Milner een postdoctoraal onderzoeker was bij ExxonMobil. Milner noemt Colby als een van de redenen waarom hij naar Penn State kwam.

"Ik wilde weten met wat voor soort mensen ik kon samenwerken, en het leek aantrekkelijk dat Ralph op Penn State was, " hij zei.

Hun samenwerking bereikte nieuwe hoogten toen de twee van 2012 tot 2015 samen een afgestudeerde student adviseerden. Op dat moment begonnen ze de effecten van stroming op polymeerkristallisatie te bestuderen. Tegen de tijd dat Rhoades contact had met Colby, het trio was klaar om in de kwestie van door stroming geïnduceerde kristallisatie te duiken.

Hun eerste experimenten hebben al aangetoond dat er andere mysteries plaatsvinden in vloeibare kunststoffen die worden onderworpen aan stroming, naast de wat spontane rijstkorrels en shish kebabs. Bijvoorbeeld, als een polymeer slechts kort wordt gesmolten, het lijkt zijn moleculaire oriëntatie te "herinneren" als een vaste stof, zei Milner, en herkristalliseert daarin veel sneller dan wanneer het langer in vloeibare vorm zou blijven.

"De jury is er nog niet uit of ik of andere theoretici beter kunnen beschrijven wat er aan de hand is met behulp van wiskundige modellen, " zei Milner, "maar we hebben een veel duidelijker beeld van wat er aan de hand is met de experimenten die we al hebben gedaan."

Spuitgieten ombouwen

Elk nieuw experiment dat het team onderneemt, is de zoveelste poging om onder de motorkap van polymerenkristallisatie te gluren, en hun doel is om deze nieuwe kennis te gebruiken om spuitgietsoftware te updaten. Dit kan bedrijven honderdduizenden dollars besparen, zei Rhodes, naast het waarborgen van de duurzaamheid van hun producten.

"Om een ​​stalen mal te snijden, het kan gemakkelijk meer dan $ 100 kosten, 000, "zei ze. "Als je dan hoort dat je mal moet worden aangepast omdat de software uit staat, een bedrijf moet misschien zijn mal afdanken en een nieuwe bouwen."

Het team heeft nauw samengewerkt met twee grote spelers in de kunststofindustrie:GM, die een verscheidenheid aan producten maakt voor de auto-industrie, en SKF, die gespecialiseerd is in hoogwaardige technische thermoplasten voor de lucht- en ruimtevaartindustrie. Een deel van hun werk wordt al ingevoerd in spuitgietsoftware, zodat het nauwkeuriger voorspelt hoe het uiteindelijke plastic product zich zal gedragen.

Maar er is nog veel werk te doen, en veel onbekenden om op te lossen. The key to making more progress, Rhoades believes, lies not in one person examining the problem but in a collaborative approach.

"You can't make the type of progress we've made without having a team that spans the discipline, " she said. "Our work so far has been eye-opening and very exciting. We're showing that we're able to open a new chapter on polymer crystallization."