합성물의 새로운 정의?

복합 재료 기술이 발전함에 따라 복합 재료가 무엇이고 무엇을 제공할 수 있는지에 대한 이해도 높아져야 합니다.

이 블로그는 합성 철도 교차점 및 건설 매트를 제조하는 IntegriCo Composites(미국 라. 사렙타)로부터 받은 보도 자료에서 시작되었습니다. 플라스틱 폐기물을 재활용하고 지속 가능하고 성능이 향상된 최종 제품으로 바꾸는 데 중점을 둔 보도 자료와 웹사이트를 보면서 저는 이것이 100% 플라스틱 기술이라는 것을 깨달았습니다. 그래서 나는 답장을 보내 "합성물에 대한 귀하의 정의가 우리와 일치하지 않습니다"라고 말했습니다. 하지만 내가 틀렸다.

혼합물이 합성물이 되는 방법

복합체의 정의는 무엇입니까? ?

IntegriCo는 자사 제품이 우수한 특성을 지닌 복합재라고 주장하지만 실제로는 합금 — 플라스틱의 녹은 융합. 섬유 보강재가 없으며 최종 제품에 식별 가능한 재료가 하나만 있습니다.

IntegriCo의 최고 기술 책임자인 Brian Arkwood는 IntegriCo의 제품은 고유한 정체성을 유지하는 두 가지 이상의 재료 유형이 혼합되어 있으며 가공을 통해 우수한 특성과 성능을 제공하도록 설계 및 엔지니어링되었다고 설명하면서 의견을 달리할 것을 간청했습니다. "설명을 드리겠습니다."라고 그는 말했습니다.

우리 공정은 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)와 LDPE(저밀도 폴리에틸렌), 폴리프로필렌 및 ​​폴리스티렌의 혼합물을 사용합니다. 이것은 서로 다른 폴리머 각각이 최종 제품의 전반적인 특성에 기여하기 때문에 의도적으로 설계된 것입니다. 우리는 각 플라스틱의 비율 및/또는 전체 혼합물의 가공을 다르게 하여 최종 제품의 특성을 조작 및/또는 변경할 수 있습니다. 그러나 다양한 플라스틱은 단순히 함께 녹는 것이 아닙니다.

이 혼합물이 합성물로 차별화되는 곳은 다음과 같습니다.

"녹지 않는 고분자량(HMW) 플라스틱은 용융 온도 이상에서 처리되는 플라스틱의 연속 폴리머를 통해 산재됩니다. 이 혼합물이 냉각됨에 따라 플라스틱은 핵 생성 과정을 거칩니다. 핵형성 속도 및 프로세스는 처리 온도, 냉각 속도 및 후속 핵제 로딩에 의해 제어됩니다. 이 에이전트는 IntegriCo에서 개발한 화학 물질이며 우리 공정에서만 사용됩니다.”

"핵 생성이 발생함에 따라 플라스틱 혼합물의 전체 결정도가 조정되고 HMW 용융되지 않은 폴리머가 공유 결합된 폴리머 사슬 사이에 얽혀 있습니다. 중합체는 또한 성형 중 점도를 낮추기 위해 전단 응력을 통해 조작되어 핵 생성 중합체와 용융되지 않은 중합체의 더 나은 상호 작용 및 얽힘을 촉진합니다.”

핵 생성, 결정도 및 종횡비 제어

저에게 여기서 핵심 개념은 핵 생성입니다. (결정 형성의 시작 과정), 결정도 제어 (결정 형성 관리) 및 더 나은 인터페이스 달성을 위한 프로세스 조작 얽힌 핵이 있는 고분자와 녹지 않은 고분자 사이. 다른 재료 사이에 좋은 인터페이스가 없으면 효과적인 하중 전달과 우수한 성능이 없기 때문에 마지막 비트는 복합 재료에 정말 중요합니다.

또한 열가소성 복합 재료의 고성장 영역에서 더 높은 기계적 특성과 더 큰 온도 및 내화학성을 제공하는 폴리머는 반결정질이라는 점을 기억하십시오. 이러한 반결정 특성은 가장 일반적으로 처리 중 온도 제어를 통해 결정도를 관리함으로써 달성되고 맞춤화됩니다.

IntegriCo 합성 철도 교차점은 가늘고 긴 고융점 플라스틱이 저융점 플라스틱 매트릭스를 강화하는 우수한 성능의 합성 제품에 플라스틱 폐기물을 재사용하는 방법을 제공합니다. 출처 | IntregiCo 합성물

Arkwood의 설명은 또한 자체 강화 플라스틱(SRP)을 생각하게 했습니다. , Pure, Curv, Armordon, Tegris 및 가장 최근의 BIO4SELF 프로젝트와 같은 2019 JEC 혁신상을 수상했습니다. 일반적으로 SRP 복합 재료는 용융 온도가 낮은 폴리머(PE, PP 또는 PLA 바이오폴리머)를 사용하고 동일한 폴리머로 만든 더 높은 용융 온도의 섬유로 강화하여 만듭니다. 이러한 높고 낮은 용융 온도 폴리머의 사용은 정확히 IntegriCo가 하는 일입니다. 그래서 Arkwood에게 그가 사용하는 고분자량(HMW) 용융되지 않은 폴리머가 실제로 나타나거나/형성되거나/섬유처럼 행동하는지 물었습니다. ?

"그것은 섬유와 동일한 이점을 일부 가능하게 합니다."라고 그는 말했습니다. “우리는 폴리머 매트릭스 내 HMW 폴리머의 종횡비를 변경하여 제품의 특성을 결정합니다. HMW 폴리머의 증가 또는 감소는 다른 작동 매개변수의 변경과 함께 탄성 계수, 파열 계수 및 경도와 같은 플라스틱 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다."

Arkwood는 IntegriCo가 특정 고객 요구를 충족시키기 위해 폴리머 비율과 작동 매개변수를 수정할 수 있다고 설명합니다. "우리는 이것을 파괴적인 테스트 데이터로 문서화했으며 유니온 퍼시픽 및 미 육군을 포함한 고객에 대한 자산 기반 요청을 충족했습니다. HMW 대 LMW, 선형 대 비선형 또는 고도로 분지된 폴리머의 비율은 강도, 강성, 경도 및 인성의 주요 성능 특성에 영향을 미침으로써 다른 플라스틱 복합 제품의 섬유 강화와 마찬가지로 당사 제품에서 중요한 역할을 합니다."

지속 가능성

따라서 첫 번째 요점은 IntegriCo가 실제로 지구가 폐기물로 파괴되고 있는 상황에서 복합 재료 산업에서 주목할 가치가 있는 영감을 제공한다는 것입니다. 전 세계적으로 플라스틱의 90% 이상이 폐기물이 되며 미국과 캐나다에서만 매년 3,400만 톤 이상의 플라스틱이 매립지나 소각로로 보내집니다. IntegriCo는 혼합된 경질 플라스틱과 일반적으로 재활용할 수 없는 등급 3-7을 재활용함으로써 실제 솔루션을 제공하고 있습니다. 이 플라스틱 등급은 2018년에 중국에서 더 이상 받지 않았습니다. 플라스틱 등급 3-7은 ASTM 국제 수지 식별 코딩 시스템(RIC)에 의해 분류된 재활용하기 어려운 등급입니다 모든 플라스틱의 구성 폴리머와 재활용 가능성을 식별합니다. 1등급(PETE, PET), 2등급(HDPE)은 재활용성이 높고, 5등급(PP)은 재활용을 시작하고 있으며, 나머지 등급은 3등급(PVC), 4등급(LDPE), 6등급(PS), 7등급(기타등급)이다. ) 현재 재활용되지 않습니다. 따라서 IntegriCo는 매립지의 폐기물을 전환하고 이를 대체 제품보다 더 오래 지속되는 부가가치 복합 제품으로 설계하여 시간이 지남에 따라 폐기물을 덜 발생시키는 변화를 만들고 있습니다.

나노 CMC

두 번째 요점은 기술이 합성물이라는 측면에서 발전하고 있다는 것입니다. 나는 이것이 이미 복합 재료 과학의 발전에 영향을 미치고 있다고 믿으며 희망적으로 더 많은 발전에 영감을 주고 싶습니다. 이 깨달음을 얻은 계기는 Arkwood의 핵 생성 사용이었습니다. . 나노 세라믹 매트릭스 복합 재료(나노-CMC, 나노 복합 재료에 대한 2019년 7월 기사 참조)에 대한 최근 연구에서 즉시 그것을 인식했습니다.

이것은 2017년 11월 기사 "항공우주 응용 분야를 위한 고분자 및 세라믹 나노복합체"에서 발췌한 것입니다.

“ 나노복합체는 다기능성으로 인해 연간 25%의 성장률을 보이는 21세기의 재료입니다. … 원하는 특성을 결합할 수 있는 가능성으로 인해 나노복합체는 항공 우주 응용 분야와 미래 우주 임무에서 잠재력을 확장하고 있습니다. ... 나노 필러는 핵 생성 능력을 증가시킵니다. 폴리머 매트릭스와의 계면 상호 작용을 개선함으로써."

25%의 성장률을 보장할 수는 없지만 나노복합체가 많은 잠재력을 제공한다는 것은 분명합니다. 이 텍스트는 나노 필러의 핵 생성에 대해 설명했습니다. 저에게 새로운 것은 세라믹 매트릭스가 실제로 섬유나 충전재가 아닌 다른 세라믹으로 강화된 나노 CMC의 개발이었습니다. 여기서 후자의 핵 생성과 결정화는 높은 종횡비의 강화재를 생성하도록 제어됩니다.

2019년 7월 나노복합체에 대한 특집에서 저는 Paola Palmero의 2015년 기사 의 삽화를 사용합니다. "구조용 세라믹 나노복합체:특성 및 분말의 합성 방법 검토" 마이크로 스케일 및 나노 스케일 복합 재료의 예를 보여줍니다. A, B 및 C는 각각 나노입자, 나노섬유 또는 나노혈소판으로 강화된 마이크로스케일(미크론) 매트릭스를 나타내는 반면 D는 원형 및 높은 종횡비 나노보강을 모두 가지고 있습니다. 그러나 E와 F는 2상 및 다상 나노복합체를 보여줍니다. , 각각 나노스케일 세라믹이 섞이지 않는 곳입니다.

그림. 1 세라믹 재료를 위한 일반적인 마이크로/나노 복합 구조.
출처 | "구조용 세라믹 나노복합체:특성 및 분말의 합성 방법에 대한 검토"(Paola Palmero)

Palmero는 현장에 대해 설명합니다. 매트릭스 입자 표면의 2차 상의 결정화(즉, 매트릭스가 1차 상이고 또 다른 세라믹이 2차 상임)는 세라믹 나노복합체 제조에 관련된 핵심 공정 중 하나입니다. 결정화 후 세라믹 결정 또는 입자의 크기와 모양이 관리되며 이는 세라믹 복합재의 벌크 특성을 결정하기 때문에 중요합니다. 예를 들어, 길쭉한 곡물은 현장 강화 효과. Palmero는 이러한 소결 복합재에서 원하는 나노구조의 특징을 맞춤화하는 능력이 중요하지만 도전적이며 혼합, 성형, 소결 및 고밀도화 전반에 걸쳐 엄격한 공정 제어를 요구한다고 말합니다.

Intechopen.com의 물리적 및 야금학적 특성 of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites의 그림 6에 유사한 설명과 논의가 있습니다. . 섹션 9.1.2는 실리콘 질화물(Si₃ N₄ )/탄화규소(SiC) 나노복합체, 이는 소결(핫 프레스)에 의해 만들어집니다. 그들의 미세 구조는 β-Si₃의 길고 긴 입자를 포함합니다. N₄ (수염) 더 미세한 β-Si₃ 입자로 둘러싸여 있습니다. N₄ 바늘 모양으로. 아래 그림 7b의 주사 전자 현미경 사진은 이 구조를 20,000배 확대한 것입니다.

이상 세라믹 나노복합재(왼쪽)와 재활용 플라스틱 복합재(오른쪽)의 단면은 기존의 연속 섬유 강화 복합재의 단면과 크게 다르지만 실제로 매우 유사합니다.

소스 | 그림 7, 에 의한 섬유 강화 세라믹 매트릭스 복합 재료의 물리적 및 야금학적 특성의 섹션 9.1.2 Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová 및 Petr Jonšta(왼쪽) 및 합성 철도 교차점, IntegriCo Composites(오른쪽)의 횡단면.