Aufdecken des Musters zwischen frontaler Polymerisation und natürlicher Konvektion

Eine sich selbst ausbreitende chemische Reaktion kann ein flüssiges Monomer in ein festes Polymer umwandeln, und die Wechselwirkung zwischen der sich ausbreitenden Front und der natürlichen Konvektion der Reaktion führt zu Mustern im resultierenden festen Polymermaterial. Eine neue Urbana-Champaign-Arbeit der University of Illinois hat gezeigt, wie die Kopplung zwischen natürlicher Konvektion und frontaler Polymerisation zu diesen beobachteten Mustern führt.

Diese Forschung wurde von einem einzigartigen Forscherteam geleitet: Nancy Sottos, Professorin für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften, Philippe Geubelle, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik, und Leonardo Chamorro, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwissenschaften. Ein Artikel, der diese Forschung beschreibt, wurde kürzlich in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Duroplaste und Verbundwerkstoffe werden in einer Vielzahl von Industriezweigen verwendet, aber die Herstellung solcher Materialien erfordert ihre Aushärtung bei hohen Temperaturen in einem langsamen und sehr energieintensiven Prozess. Die Frontalpolymerisation zur Aushärtung der Materialien ist ein attraktiver alternativer Ansatz, der deutlich schneller und energieeffizienter ist.

Bei der Frontalpolymerisation wandelt eine sich selbst ausbreitende chemische Front ein flüssiges Monomer durch eine Reaktion, die eine erhebliche Menge an Wärme erzeugt, in ein festes Polymer um. Monomere sind eine einfache Klasse molekularer „Bausteine“, die reagieren können, um größere Moleküle zu bilden, die Polymere sind. Die gesamte Energie, die zur Herstellung des Polymers benötigt wird, ist im Monomer selbst enthalten, und um diese Energie nutzbar zu machen, ist nur ein kleiner Stimulus erforderlich, um die Reaktion auszulösen.

Aufgrund von Instabilitäten bewegt sich diese sich selbst ausbreitende Front nicht immer gleichmäßig. Obwohl es für Anwendungen wie die Herstellung von Verbundwerkstoffen und den 3D-Druck ideal ist, wenn sich die Vorderseite reibungslos und mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, sagt Gebelle: „Wir sind tatsächlich sehr an diesen Instabilitäten interessiert, weil sie es uns ermöglichen, Muster im Material zu erzeugen. Das ist sehr gut spannend, denn bei manchen Materialien können diese Instabilitäten zu ganz unterschiedlichen Materialeigenschaften führen.“

Geubelle erklärt, dass das Ziel des Teams darin bestand, „experimentell und rechnerisch die Wechselwirkung zwischen der Front, die sich im Monomerbad ausbreitet, und der Konvektion, die davor stattfindet, zu verstehen und wie die Wechselwirkung zwischen den beiden zu Mustern im Monomerbad führen kann Material.“

Um die Polymerisationsfront und die Rezirkulation vor der Front zu visualisieren und zu charakterisieren, musste das Team eine clevere Form entwerfen, die es ihnen ermöglichen würde, Beobachtungen sowohl von oben als auch von der Seite zu machen. Sie konstruierten und verwendeten eine Glasform, die es ermöglichte, die Vorderseite von oben zu betrachten und einen Laserstrahl von der Seite einzulassen.

Anschließend verwendeten sie Particle Image Velocimetry (PIV), um das Geschwindigkeitsfeld zu charakterisieren. Um PIV zu verwenden, mussten sie die Flüssigkeit mit kleinen „Tracer“-Partikeln impfen, die dem Fluss folgen und von einer Kamera verfolgt und von einer Laserfolie beleuchtet würden, um die Muster im Material zu visualisieren. Chamorro sagt, dass die Partikelauswahl eine der Herausforderungen dieser Arbeit war. Das Team probierte verschiedene Arten von Partikeln aus, bevor es sich für silberbeschichtete Glaspartikel entschied.

Sie konnten zeigen, dass bei der Ausbreitung der Front und der Umwandlung des flüssigen Monomers in das feste Polymer die freigesetzte Energie Konvektion erzeugt. Konvektion ist ein Prozess, bei dem Wärme durch die Bewegung einer erhitzten Flüssigkeit übertragen wird. Wie Wasser im Ozean dehnt sich eine Flüssigkeit aus, wenn sie erhitzt wird, und aufgrund des Auftriebs steigt die heißere Flüssigkeit, weil sie weniger dicht ist, und die kältere Flüssigkeit ersetzt sie, indem sie auf den Boden sinkt, weil sie dichter ist. Dieser Prozess setzt sich fort und erzeugt eine rezirkulierende Strömung.

Der Polymerisationsprozess gibt viel Wärme ab, was zu Temperaturen über 350 °F führt. Diese während der Umwandlung erzeugte Wärme gelangt an die Oberfläche. Die Forscher zeigten, dass dies ein auftriebsgetriebener Prozess war und dass die mit der Reaktionswärme verbundene Rezirkulation zusammen mit der Wirkung der Schwerkraft zur Bildung der im Material beobachteten Muster und zum Aufprall auf die Polymerisationsfront führt . Dank der Umluft ist die Front eher geneigt als perfekt senkrecht. Diese geneigte Front kann zu einer anderen Geschwindigkeit oder Kühlwirkung und sogar zu einer anderen Musterwirkung führen.

Sottos sagt, die Experimente zeigten, dass die Rezirkulation nicht nur Muster im Inneren des Materials erzeugt, die die Eigenschaften des Materials beeinflussen, sondern „auch Oberflächenmuster auf der Oberseite des Materials erzeugt, weil das Monomer durch den rezirkulierenden Fluss gedrückt wird“.

Die aufgezeigten Mechanismen der Wechselwirkung zwischen der Polymerisationsfront und der induzierten natürlichen Konvektion sowie die resultierende Musterbildung stellen ein vertieftes Verständnis der frontalen Polymerisation dar, das bei der zukünftigen Herstellung von Polymermaterialien hilfreich sein könnte.

Andere Autoren dieser Arbeit sind Yuan Gao (Postdoc, Beckman Institute and Aerospace Engineering); Justine Paul (Doktorandin, Beckman Institute und Material Science and Engineering); Manxin Chen (Student, Beckman Institute and Aerospace Engineering); und Liu Hong (Student im Aufbaustudium, Maschinenbau und Ingenieurwesen).