Composieten Heruitvinden: Duurzame Materialen voor de Toekomst

Naarmate composiettechnologie zich ontwikkelt, zou ook ons begrip van wat composieten kunnen zijn en wat ze kunnen bieden zich moeten ontwikkelen.

Deze blog ontstond uit een persbericht dat ik ontving van IntegriCo Composites (Sarepta, La., VS), die composiet spoorweg traversen en bouwmatten produceert. Naar hun persbericht en website te kijken, die beide gericht waren op recycling en het transformeren van plasticafval in duurzame, verbeterde-prestatie eindproducten, realiseerde ik me dat dit een 100% plastic technologie was. Dus schreef ik terug en zei, "jullie definitie van composiet komt niet overeen met de onze." Maar ik had onrecht.

Hoe een mengsel een composiet wordt

Wat is de definitie van een composiet?

Ik legde uit dat hoewel IntegriCo claimt dat hun producten composieten zijn met superieure eigenschappen, ze eigenlijk een legering zijn - een gesmolten amalgamaat van kunststoffen. Er is geen vezelversterking en niet meer dan één identificeerbaar materiaal in het eindproduct.

Brian Arkwood, chief technical officer voor IntegriCo, was het niet eens, en legde uit dat IntegriCo's producten een mengsel zijn van twee of meer typen materialen die een unieke identiteit behouden, ontworpen en geëngineerd door verwerking om superieure karakteristieken en prestaties te leveren. "Laat me verduidelijken," zei hij.

Ons proces gebruikt een mengsel van HDPE (high density polyethylene) en LDPE (low density polyethylene), alsook polypropyleen en polystyreen. Dit is ontwerp, aangezien elk van deze ongelijksoortige polymeren bijdraagt aan de algehele karakteristieken van het eindproduct. We kunnen de eigenschappen van het eindproduct manipuleren en/of veranderen door de verhoudingen van elk plastic te variëren en/of de verwerking van het totale mengsel. De varierende kunststoffen worden niet slechts samen gesmolten, echter.

Hier wordt dit mengsel gedifferentieerd als een composiet:

"De hogere moleculaire gewicht (HMW) kunststoffen die niet smelten, worden verdeeld door de continue polymere van de kunststoffen die boven de smelttemperatuur verwerkt worden. Naarmate dit mengsel afkoelt, ondergaan de kunststoffen het nucleatieproces. De snelheid en het proces van nucleatie wordt gecontroleerd door verwerkingstemperatuur, afkoelsnelheid en de daaropvolgende lading van een nucleatiemiddel. Dit middel is een chemisch middel ontwikkeld door IntegriCo en alleen gebruikt in ons proces."

"Als nucleatie plaatsvindt, wordt de algehele kristalliniteit van het kunststofmengsel gemanipuleerd en de HMW non-smelt polymeren worden verstrengeld tussen de polymere ketens die covalenta gebonden zijn. De polymeren worden ook gemanipuleerd via afschuifspanning om de viscositeit tijdens het vormgeven te verlagen om betere interactie en verstrengeling van genucleerde polymeren met de non-smelt polymeren te bevorderen."

Nucleatie, kristalliniteit en aspectratio regelen

Voor mij zijn de kernconcepten hier nucleatie (het beginnende proces van kristalvorming), controle van kristalliniteit (kristalvorming managen) en het manipuleren van het proces om een betere interface te bereiken tussen de verstrengelde genucleerde polymeren en non-smelt polymeren. Het laatste is echt cruciaal voor composieten, want zonder een goede interface tussen de verschillende materialen, is er geen effectieve belastingsoverdracht en geen superieure prestaties.

Vergeet ook niet dat in het hoge-groeigebied van thermoplastische composieten, de polymeren die hogere mechanische eigenschappen bieden alsook grotere temperatuur- en chemische bestendigheid, semi-kristallijn zijn. Die semi-kristallijne eigenschappen worden bereikt en afgestemd door de kristalliniteit te managen, meest typisch via temperatuurcontrole tijdens verwerking.

IntegriCo composiet spoorwegtraversen bieden een manier om plasticafval te hergebruiken in een superieure prestatie composietproduct, waar uitgezogen high-melt plastic een low-melt plastic matrix versterkt. BRON | IntregiCo Composites

Arkwood's beschrijving deed me ook denken aan zelf-versterkte kunststoffen (SRP), zoals Pure, Curv, Armordon, Tegris en de meest recente, het BIO4SELF project, dat een 2019 JEC Innovatieprijs won. Typisch worden SRP composieten gemaakt door een laag smelttemperatuur polymeer (PE, PP of PLA biopolymeer) te gebruiken en dat te versterken met een hogere smelttemperatuur vezel gemaakt van hetzelfde polymeer. Dit gebruik van hoge en lage smelttemperatuur polymeren is precies wat IntegriCo doet. Dus vroeg ik Arkwood of de hogere moleculaire gewicht (HMW) non-smelt polymeren die hij gebruikt eigenlijk verschijnen/vormen/zich gedragen als vezels?

"Het maakt sommige van dezelfde voordelen mogelijk als vezels," zei hij. "We veranderen de aspectratio's van de HMW polymeren binnen de polymere matrix om de eigenschappen van het product te sturen. Het verhogen of verlagen van de HMW polymeren, gekoppeld met veranderingen in andere operationele parameters, kan significante effecten hebben op kunststofeigenschappen zoals elasticiteitsmodulus, breukmodulus en hardheid."

Arkwood legt uit dat IntegriCo polymere verhoudingen en operationele parameters kan aanpassen om specifieke klantbehoeftes te vervullen. "We hebben dit gedocumenteerd met destructieve testdata en hebben eigenschappen-gestuurde verzoeken van klanten waaronder Union Pacific en het Amerikaanse Leger vervuld. De verhouding van polymeren - HMW tot LMW en lineair tot non-lineair of hoog vertakte - speelt een rol in onze producten die veel lijkt op vezelversterking in andere kunststof composietproducten, door de sleutelprestatie-eigenschappen van sterkte, stijfheid, hardheid en toughness te beïnvloeden."

Duurzaamheid

Eerste punt, IntegriCo biedt inderdaad een inspiratie die de composietenindustrie de moeite waard is om te noteren aangezien onze planeet wordt vernietigd met afval. Meer dan 90% van plastic wordt wereldwijd afval en meer dan 34 miljoen metriek ton plastic wordt elk jaar in de VS en Canada alleen op stortplaatsen of verbrandingsovens gedumpt. IntegriCo biedt een echte oplossing door gemengde starre kunststoffen en typisch onrecycleerbare graden 3-7 te recyclen, wat China in 2018 stopte met ontvangen. Plastic graden 3-7 zijn die moeilijker te recyclen zoals geclassificeerd door het ASTM International Resin Identification Coding System (RIC) dat de bestanddeeltjes polymeren en recycleerbaarheid van alle kunststoffen identificeert. Grad 1 (PETE, PET) en 2 (HDPE) zijn hoog recycleerbaar, en 5 (PP) begint te worden gerecycld, terwijl alle andere graden inclusief 3 (PVC), 4 (LDPE), 6 (PS) en 7 (Overig) momenteel niet gerecycld worden. Dus IntegriCo maakt verschil, afval van stortplaatsen afleidend en het in engineerende waardevolle composietproducten die langer duren dan alternatieven, minder afval producerend over tijd.

Nano-CMC's

Mijn tweede punt is dat technologie vooruitgaat in wat een composiet is. Ik geloof dat dat al de vooruitgang van composiet materiaalwetenschap beïnvloedt en ik wil hopelijk verdere ontwikkelingen inspireren. Wat deze realisatie voor me triggerde was Arkwood's gebruik van nucleatie. Ik herkende het direct van mijn recente onderzoek naar nano keramische matrix composieten (nano-CMC's, zie mijn juli 2019 artikel over nanocomposieten).

Dit is uit een nov 2017 artikel, "Polymer en keramische nanocomposieten voor luchtvaarttoepassingen":

 "Nanocomposieten zijn de materialen van de eenentwintigste eeuw met een jaarlijkse groeisnelheid van 25% door hun multifunctionele mogelijkheden. ... Vanwege de mogelijkheid om gewenste eigenschappen te combineren, breiden nanocomposieten hun potentiëlen uit in luchtvaarttoepassingen en toekomstige ruimtemissies. ... Nanovullers verhogen de nucleatiecapaciteit door de interfaciale interactie met de polymere matrix te verbeteren."

Ik kan niet voor de 25% groeisnelheid borg staan, maar het is duidelijk dat nanocomposieten veel potentieel bieden. Deze tekst besprak nucleatie van nanovullers. Wat nieuw was voor mij was de ontwikkeling van nano-CMC's waar een keramische matrix eigenlijk versterkt wordt met niet een vezel of vuller maar een andere keramiek, waar de latere's nucleatie en kristallisatie gecontroleerd worden om high-aspect ratio versterking te produceren.

In mijn juli 2019 feature over nanocomposieten, gebruik ik een illustratie uit Paola Palmero's 2015 artikel, "Structural Ceramic Nanocomposites: A Review of Properties and Powders' Synthesis Methods" om voorbeelden van microschaal en nanoschaal composieten te tonen. A, B en C tonen een microschaal (micronische) matrix versterkt met nanodeeltjes, nanovezels of nanoplatelets, respectievelijk, terwijl D zowel afgeronde als high aspect ratio nanoversterkingen heeft. Echter, E en F illustreren bi-fasische en multi-fasische nanocomposieten, respectievelijk, waar de nanoschaal keramieken onmengbaar zijn.

Fig. 1 Gewone micro/nano composiet structuren voor keramische materialen.
BRON | "Structural Ceramic Nanocomposites: A Review of Properties and Powders' Synthesis Methods" door Paola Palmero.

Palmero beschrijft de in-situ kristallisatie van tweede-fasen op het oppervlak van matrixdeeltjes - met andere woorden, de matrix is de eerste fase en een andere keramiek is de tweede fase - als een van de kernprocessen betrokken bij het fabriceren van keramische nanocomposieten. Na kristallisatie worden de grootte en vorm van de keramische kristallen of korrels gemanaged, wat cruciaal is, aangezien deze de keramische composiet's bulkeigenschappen bepalen. Bijvoorbeeld, uitgezette korrels zijn bekend om een in-situ verterende werking te hebben. Palmero merkt op dat de mogelijkheid om de gewenste nanogestructureerde kenmerken in deze gesinterde composieten te sturen vitaal is maar uitdagend, wat strikte procescontrole doorheen mengen, vormen, sinteren en verdichting vereist.

Een vergelijkbare illustratie en discussie wordt gezien in Fig. 6 in het Intechopen.com boek, Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites. Sectie 9.1.2 bespreekt de microstructuur van siliciumnitride (Si₃N₄)/siliciumcarbide (SiC) nanocomposieten, die gemaakt worden door sinteren (heet persen). Hun microstructuur bevat grote uitgezette deeltjes van β- Si₃N₄ (whiskers) die omringd zijn door fijne deeltjes van β- Si₃N₄ met naaldvormen. De scanning elektronenmicroscopic onderstaande uit Fig. 7b toont deze structuur bij 20.000x vergroting.

Deze dwarsdoorsnedes van bi-fasische keramische nanocomposieten (links) en gerecyclde plastic composieten (rechts) zijn eigenlijk heel vergelijkbaar, zelfs al verschillen ze sterk van de dwarsdoorsnedes van conventionele continue vezel versterkte composieten.

BRON | Figuur 7, Sectie 9.1.2 uit Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites door Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová en Petr Jonšta (links) en dwarsdoorsnede van composiet spoorwegtravers, IntegriCo Composites (rechts).

Voordelen van bi- en multi-fasische composieten

Waarom is dit van nut voor de composietenindustrie? Omdat materiaalwetenschappers deze nieuwe definitie van composieten gebruiken om unieke, op maat gemaakte combinaties van mechanische, thermische, elektrische en ablatieve eigenschappen te bereiken. Bijvoorbeeld, het Naval Research Laboratory (NRL, Washington, D.C., VS) heeft siliciumnitride, zirconiumnitride en titaniumdiboride composieten ontwikkeld alsook methoden om ze te versterken met tough vezels. Deze refractaire keramieken vertonen hoge sterkte, thermische stabiliteit en variabele elektrische en thermische geleidbaarheden die hen in staat stellen te voldoen aan de eisen van hypersonische voertuigcomponenten - iets dat organische polymere composieten en zelfs geavanceerde metaallegeringen niet kunnen.

NRL ontwikkelt ook additive manufacturing technologie die nanostructuren in deze materialen zal incorporeren en dielektrische, thermische en elektromagnetische schermingseigenschappen verder afstemmen met een hogere resolutie dan mogelijk met momenteel beschikbare materialen. Zelfs als je niet noodzakelijk akkoord gaat met de verdedigingstoepassingen die voor deze materialen gepland zijn, zouden ze ook waardevolle oplossingen kunnen bieden voor geplande ruimteverkenning en missies naar Mars. Maar ze kunnen ook nieuwe wegen openen voor volledig biobased composieten die niet alleen hoge prestaties hier op aarde bieden, maar ook de mogelijkheid om dat duurzaam te doen en op een manier dat materialen en eindproducten geproduceerd en gerecycld kunnen worden met minder energie en grondstoffen.

Ik stel niet voor dat vezelversterkte composieten het toneel verlaten of zelfs vervagen. Maar naarmate technologie zich ontwikkelt, zou ook ons begrip van wat composieten kunnen zijn en wat ze kunnen bieden zich moeten ontwikkelen.