Onderzoek geleid door Professor Ton Peijs van WMG aan de Universiteit van Warwick en Professor Cees Bastiaansen aan de Queen Mary University of London, heeft een verwerkingstechniek bedacht die transparante polyethyleenfilm kan creëren die sterker kan zijn als aluminium, maar tegen een fractie van het gewicht, en die kunnen worden gebruikt in beglazing, voorruiten, vizieren en displays op manieren die kracht en veerkracht toevoegen en tegelijkertijd het gewicht verminderen.

In een nieuw onderzoeksartikel getiteld "Glasachtige transparante polyethyleenfilms met hoge sterkte door de trektemperatuur af te stemmen." Vandaag online gepubliceerd - 1 april 2019 - in het tijdschrift Polymeer , de auteurs laten zien dat na zorgvuldige selectie van het type polyethyleen en door het afstemmen van de temperatuur tijdens het maken van georiënteerde polyethyleenfilms, een balans kan worden gecreëerd die een zeer nuttig en lichtgewicht transparant materiaal oplevert met een aanzienlijke sterkte en veerkracht die nadert, en in sommige opzichten, die van metalen overtreft.

Voorheen heeft iedereen die zware en vaak broze glazen wil vervangen door een transparante kunststof, gekeken naar conventionele transparante kunststoffen zoals polycarbonaat (PC) en poly(methylmethacrylaat) (PMMA), die beide relatief onbevredigende mechanische prestaties hebben in vergelijking met een technisch materiaal zoals aluminium.

De huidige methoden voor het maken van zeer sterke plastic films, zoals warmtrekken van polyethyleen met hoge dichtheid (HDPE), kunnen leiden tot materialen die kunnen concurreren met of zelfs beter presteren dan traditionele technische materialen zoals metalen.

"De microstructuur van polymeren vóór het tekenen lijkt erg op die van een kom gekookte spaghetti of noedels, terwijl na het uitrekken of trekken de moleculen worden uitgelijnd op een manier die vergelijkbaar is met die van ongekookte spaghetti, wat betekent dat ze meer lading kunnen dragen", legt Yunyin Lin uit, een doctoraat student in het team van professoren Peijs en Bastiaansen.

Echter, getrokken polyethyleenmaterialen hebben normaal gesproken een ondoorzichtig uiterlijk als gevolg van defecten en holtes die door het trekproces zijn ontstaan, beperkende toepassingen waar zowel mechanische eigenschappen als optische transparantie vereist zijn.

Recentelijk is enig succes geboekt door het gebruik van zeer specifieke additieven in warmgetrokken HDPE-materialen die vervolgens 90% transparantie kunnen produceren terwijl ze een hoge sterkte geven. Echter, het onderzoeksteam onder leiding van professoren Peijs en Bastiaansen heeft nu een nieuwe post-manufacturing techniek voor HDPE ontwikkeld die kracht en veerkracht geeft met behoud van transparantie zonder toevoeging van additieven.

De onderzoekers namen HDPE-polyethyleenplaten en trokken deze platen eruit bij een reeks temperaturen onder de smelttemperatuur van HDPE. Door de tekentemperatuur af te stemmen konden ze een transparantie van 90% in het zichtbare bereik bereiken. Echter, de beste balans tussen sterkte en transparantie werd bereikt bij tekentemperaturen tussen 90 en 110 graden Celsius.

Professor Ton Peijs van WMG aan de Universiteit van Warwick zei:

"We verwachten dat een grotere mobiliteit van de polymeerketen bij deze hoge trektemperaturen verantwoordelijk zal zijn voor het creëren van minder defecten in de getrokken films, wat resulteert in minder lichtverstrooiing door defecten en dus een hogere helderheid"

De zeer transparante films hebben een maximale veerkracht of Young's Modulus van 27 GPa en een maximale treksterkte van 800 MPa langs de trekrichting, die beide meer dan 10 keer hoger zijn dan die van PC- en PMMA-kunststoffen. Ter vergelijking, aluminium heeft een Young's Modulus van 69 GPa en een aluminiumlegering van ruimtevaartkwaliteit kan treksterkten hebben tot ongeveer 500 MPa. Echter, polyethyleen heeft een dichtheid van minder dan 1000 kg/m3, terwijl aluminium een ​​dichtheid heeft van ongeveer 2700 kg/m3, wat betekent dat op gewichtsbasis deze transparante polymeerfilms van hoge sterkte dergelijke metalen kunnen overtreffen.

Professor Ton Peijs van WMG aan de Universiteit van Warwick concludeert dat:

"Onze resultaten toonden aan dat een breed verwerkingsvenster van 90 °C tot 110 °C kan worden gebruikt om de vereiste balans tussen optische en mechanische prestaties aan te passen. Verwacht wordt dat deze lichtgewicht, goedkoop, zeer transparant, HDPE-films met hoge sterkte en hoge stijfheid kunnen worden gebruikt in laminaten en gelamineerde composieten, vervanging of versterking van traditioneel anorganisch of polymeer glas voor toepassingen in autoruiten, gebouwen, windschermen, vizieren, beeldschermen enz."