미세세포플라스틱

Microcellular plastic

마이크로셀룰러 플라스틱은 마이크로셀룰러 폼으로 알려져 있으며, 50미크론(일반적으로 0.1~100마이크로미터) 미만의 미세한 거품을 함유하도록 제조된 플라스틱의 일종이다.고압의 가스를 여러 중합체로 용해시켜 형성되는데, 열역학적 불안정현상에 의존하여 핵이라고 하는 기포배열이 균일하게 이루어지게 된다.[1]그 주된 목적은 귀중한 기계적 성질을 유지하면서 재료 사용을 줄이는 것이었다.완제품의 밀도는 사용되는 가스에 의해 결정된다.기체에 따라 폼의 밀도는 사전 가공된 플라스틱의 5%에서 99% 사이일 수 있다.[2]폼의 최종 형태와 이후의 성형 공정에 초점을 맞춘 설계 매개변수에는 사용할 다이 또는 몰드의 유형뿐만 아니라 재료를 폼으로 분류하는 거품 또는 셀의 치수를 포함한다.[1]세포의 크기가 빛의 파장에 가까우므로, 무심코 관찰한 사람에게는 거품이 단단하고 밝은 색의 플라스틱의 외관을 유지한다.

델리 인도공과대학에서 개발한 마이크로셀룰러 플라스틱 마이크로그래프

워싱턴 대학의 최근 발전은 20-100나노미터 범위에서 세포가 있는 나노세포 거품을 만들어냈다.인도 델리 공과대학에서는 고품질의 미세세포 거품을 만드는 기술이 개발되고 있다.[3][4]

역사

1974년 이전에, 전통적인 거품이 1974년에 미국 특허권인 Mixing of Molten Plastic and Gas에 약술된 방법을 사용하여 만들어졌다.[5]화학적 또는 물리적으로 부는 물질로 알려진 가스를 용해된 플라스틱 위에 방출함으로써, 단단한 플라스틱은 전통적인 거품으로 변환되었다.이 방법들의 결과는 매우 바람직하지 않았다.공정의 통제되지 않는 특성 때문에, 그 제품은 종종 균일하지 않아 많은 큰 공극이 있었다.그 결과 세포 구조에 큰 세포가 있는 저강도, 저밀도 거품이 나왔다.이 방법의 함정은 보다 유리한 기계적 성질을 가진 유사한 재료를 만들 수 있는 공정에 대한 필요성을 야기했다.

오늘날 우리가 알고 있는 미세세포 거품의 생성은 전통적인 거품의 생산에서 영감을 받았다.1979년, MIT는 J.E. 마티니와 F.를 마스터한다.남 P 서 교수의 지휘를 받는 월드맨은 둘 다 마이크로셀룰러 플라스틱, 즉 마이크로셀룰러 폼의 발명을 승인받았다.[6]가압된 압출 성형과 사출 성형 실험을 통해 8미크론 미만인 공극이 5~30% 줄어든 제품을 만들 수 있었다.기계적 특성 면에서는 소재의 파단강도가 400% 향상되고 균열전파 저항성이 200% 향상됐다.첫째, 플라스틱은 고압에서 가스로 균일하게 포화된다.그러면 온도가 올라가서 플라스틱의 열적 불안정성을 일으킨다.안정된 상태에 도달하기 위해 세포 핵이 일어난다.이 단계 동안, 생성된 세포는 전통적인 거품보다 훨씬 작을 것이다.그 후에는 세포 성장 또는 매트릭스 이완이 시작될 것이다.이 방법의 참신함은 온도와 압력 입력을 변화시켜 제품의 기계적 특성을 제어할 수 있는 능력이었다.예를 들어 압력을 수정함으로써 매우 얇은 외부 층을 형성하여 제품을 더욱 강하게 만들 수 있었다.실험 결과 CO2는 가장 밀도가 높은 기체를 생성하는 기체로 밝혀졌다.아르곤과 질소와 같은 다른 기체들은 약간 덜 바람직하지 않은 기계적 성질을 가진 거품을 생산했다.

생산

일반 제조 공정의 개략적인 예 1.폴리머 베이스(빨간색)를 액화하여 첨가한다. 2. 질소나 탄소-다이옥사이드와 같은 초임계액(파란색)의 정밀한 양을 폴리머 혼합물에 주입한다. 3.단일 위상 솔루션(퍼플)을 생성하기 위한 균질 혼합.4. 중합체를 금형강으로 주입한다.저압은 초임계 유체 세포가 균일한 방법으로 핵을 만들고 금형을 채우도록 유도한다.

원하는 거품을 내기 위해 기체를 선택할 때는 기능 요건과 설계 매개변수를 고려한다.기능 요건은 이 재료 유형을 개발할 때 사용하는 기준과 동일하다. 즉, 원래 플라스틱이 할 수 있었던 것과 동일한 3차원 제품을 만들 수 있는 기계적 특성(특히 견고함)을 희생하지 않고 플라스틱을 적게 사용하는 것이다.

미세세포 플라스틱의 생산은 온도와 압력에 의존한다.고온과 압력에서 가스를 용해하면 압력이 떨어지면 핵 부위가 활성화되는 추진력이 생기는데, 용해된 가스의 양에 따라 기하급수적으로 증가한다.[1]

균질 핵은 세포 매트릭스의 기포를 생산하기 위한 1차 메커니즘이다.용해된 가스 분자는 먼저 핵을 가진 활성 부위로 확산하는 것을 선호한다.이는 이러한 부위가 거의 동시에 활성화되어 용해된 가스 분자가 플라스틱 전체에서 균일하고 균일하게 공유될 수밖에 없기 때문에 방지된다.

고압 환경에서 플라스틱을 제거하면 열역학적 불안정성이 발생한다.그런 다음 폴리머를 유효 유리 전환 온도(폴리머/가스 혼합물) 이상으로 가열하면 플라스틱이 거품을 일으켜 작은 거품의 구조가 매우 균일하게 형성된다.

기계적 특성

미세세포 플라스틱의 밀도는 행동과 성능에 가장 큰 영향을 미친다.[7]재료 인장 강도는 더 많은 가스가 부품으로 용해됨에 따라 재료 밀도에 따라 선형적으로 감소한다.[citation needed]녹는 온도와 점성도 함께 떨어진다.

거품주입 공정 자체가 스월 자국, 줄무늬, 물집 등의 표면 결함을 도입하는 것으로, 부품이 외부 힘에 반응하는 방식에도 영향을 미친다.

장단점

이러한 거품 생성 공정의 비위험성 때문에 플라스틱은 재활용되어 다시 생산 주기에 투입될 수 있으며, 탄소 발자국을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 원자재 비용도 절감할 수 있다.

이 재료의 다공성 특성으로 인해 전체 밀도는 고체 플라스틱의 밀도보다 훨씬 낮아져 부품의 단위 부피 당 무게가 상당히 떨어진다.이것은 또한 가스가 가득 찬 작은 주머니를 추가함으로써 생 플라스틱의 소비를 줄임으로써 최대 [1]35%의 추가 비용 절감을 가능하게 한다.

이러한 폼의 기계적 특성을 관찰할 때 인장 강도 손실은 밀도 감소와 거의 선형적인 방식으로 상관된다.[2]

산업용 응용 프로그램

70년대 후반 MIT 연구에 의해 취해진 조치 이후, 마이크로 셀룰러 플라스틱과 그 제조 방법은 더욱 표준화되고 개선되었다.Trexel Inc.[8]는 MuCell® Molding Technology를 사용하여 마이크로 셀룰러 플라스틱의 업계 표준으로 언급되는 경우가 많다.Trexel과 기타 마이크로 셀룰러 플라스틱 제조업체는 사출 성형과 블로우 몰드 방법을 모두 사용하여 자동차, 의료, 포장, 소비자 및 산업과 같은 용도에 맞는 제품을 만든다.

사출 성형과 블로우 몰딩은 제조가 필요한 제품의 유형에 따라 다르다.사출 성형도 주조와 마찬가지로 고체 물체를 위한 금형을 만드는 데 초점이 맞춰져 있는데, 이 금형은 나중에 녹은 플라스틱으로 채워질 것이다.[9]반면에 블로우 몰딩은 (모든 치수가 미리 결정된 사출 금형과는 달리) 정의되지 않은 특징으로서 벽 두께에 대해서는 덜 정확하지만 속이 빈 물체에 더 특화된다.[10]MuCell®과 마이크로 셀룰러 플라스틱에 관하여, 이러한 공정들은 몰딩 공정이 시작되기 전에 가스가 용해되고 세포핵화가 추가되기 때문에 전통적인 플라스틱과 다르다.이 공정은 금형 내에서 결함을 허용하는 "팩 앤 홀드 위상"을 제거하여 치수 정확도와 음향 구조가 더 큰 완제품을 만들었다.[11]몰딩 공정의 전 단계를 제거함으로써 시간이 절약되어 MuCell®은 표준 레진에 비해 더 많은 부품을 동시에 제작할 수 있기 때문에 보다 경제적인 옵션이 된다.몇 가지 적용 사례로는 자동차 계기판, 심장 펌프, 저장통 및 다중 가정용 전원 도구의 하우징이 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d Suh, Nam P. (2003-10-01). "Impact of microcellular plastics on industrial practice and academic research". Macromolecular Symposia. 201 (1): 187–202. doi:10.1002/masy.200351122. ISSN 1521-3900.
  2. ^ a b Miller, Dustin. "Microcellular Plastics Lab - University of Washington". faculty.washington.edu. Retrieved 2016-02-17.
  3. ^ Abhishek, Gandhi (March 2013). "Ultrasound assisted cyclic solid-state foaming for fabricating ultra-low density porous acrylonitrile–butadiene–styrene foams". Materials Letters. 94 (94): 76–78. doi:10.1016/j.matlet.2012.12.024.
  4. ^ Gandhi, Abhishek (2014). "Ultrasound-Induced Nucleation in Microcellular Polymers". Journal of Applied Polymer Science. 131 (18): n/a. doi:10.1002/app.40742.
  5. ^ Greenberg, W. (Mar 12, 1974), Mixing of molten plastic and gas, retrieved 2016-02-07
  6. ^ Martini-Vvedensky, Jane E.; Suh, Nam P.; Waldman, Francis A. (Sep 25, 1984), Microcellular closed cell foams and their method of manufacture, retrieved 2016-02-07
  7. ^ Avalle, M. (March 2014). "Mechanical properties and impact behavior of a microcellular structural foam". Latin American Journal of Solids and Structures. 11 (2): 200–222. doi:10.1590/S1679-78252014000200004.
  8. ^ "Home".
  9. ^ "Injection Molding Process, Defects, Plastic". www.custompartnet.com. Retrieved 2016-02-17.
  10. ^ "Blow Molding". www.custompartnet.com. Retrieved 2016-02-17.
  11. ^ "The Process". www.trexel.com. Retrieved 2016-02-17.

외부 링크