När Ralph Colby tittar på mikroskopbilden framför sig, han tror att han kan hitta dem - "shish kebab, " som polymerforskare kallar dem. Ingen vet säkert vad de är, men dessa former som dyker upp vid till synes oförutsägbara tidpunkter när vissa plaster svalnar har stor inverkan på plastens övergripande egenskaper. Det är ingen stor grej när en plastgaffel går sönder, men om en lagerbur på ett flygplan skulle gå sönder, det kan sätta människor i fara.

Colby har samarbetat med två andra Penn State-forskare för att få en bättre grundläggande förståelse för hur plast kyler från flytande till fast form vid formsprutning. Deras arbete, som involverar några nya tekniker, hjälper redan branschpartners.

"I sista hand, vi hoppas kunna komma bort från vår forskning med en bättre grundläggande förståelse för hur dessa polymerer kristalliserar under flöde, och även kunskapen att lägga in denna information i formsprutningsmjukvara, sa Colby, professor i materialvetenskap och teknik.

Från pellets till produkt

De flesta plaster tillverkas genom formsprutning, en process genom vilken små pellets av plast smälts, pressas in i en form av en form och svalnade snabbt. I smält form, polymerer är som en skål med spagetti, med individuella molekyler som en oordning av nudlar. När de svalnar, de börjar bilda en struktur och denna process kallas kristallisering. Hur kristaller bildas kan påverka styrkan, hållbarhet och andra egenskaper hos materialet.

Målet med formsprutning är att få polymerer att orientera sig och kristallisera på ett specifikt sätt. Det är inte så enkelt som att bara värma och kyla materialet; snarare, det krävs rätt mängd tryck och temperatur för att få enskilda molekyler att spela bra med varandra och komma i rätt ordning.

Formsprutning är komplicerat nog att det kräver användning av programvara för att styra maskinens olika parametrar under hela processen. Den programvaran är baserad på data från årtionden sedan som verkligen behöver uppdateras, sa Alicyn Rhoades, biträdande professor i teknik vid Penn State Behrend, som har ett välkänt plasttekniskt program.

"Sedan 1950-talet, polymeringenjörer har designat tillverkningsprocesser som formsprutning med baslinjedata som genererades med plast som förändrades 10 grader per minut – men vid tillverkning, polymerer utsätts för kylning med en hastighet av allt från 10 till 1, 000 grader per sekund, " Hon sa.

Värmeöverföringshastigheten, antingen in i eller ut ur en polymer, gör en otrolig skillnad i hur en polymer beter sig när den väl svalnar. Det liknar matlagning, sa Rhoades. Att sätta in kaksmeten i ugnen blir en helt annan produkt än att lägga den på grillen.

Rhoades visste att hon skulle kunna uppnå de nivåer av värmeöverföring som är relevanta för formsprutning om hon använde en enhet känd som en flash differential scanning-kalorimeter, eller Flash DSC. Maskinen värmer små mängder polymerer upp tusentals grader på en bråkdel av en sekund.

Rhoades började diskutera frågan med General Motors Company, och forskningskonceptet slog omedelbart an hos deras polymeringenjörer. Under 2013, GM gav en gåva till Penn State så att Rhoades kunde köpa en Flash DSC.

"Grupper runt om i världen använder Flash DSC för att studera glas eller för läkemedelsforskning, men vi är de första som använder det för plastteknik, " Hon sa.

Rhoades reser ofta till University Park campus för sin forskning för att använda sig av Material Characterization Laboratory, en del av Materialforskningsinstitutet. Labbet är utformat för att karakterisera, eller kvantifiera egenskaperna hos, olika material.

I sin forskning, Rhoades visste att hon saknade en avgörande del:reologi, eller hur vätskor beter sig när de strömmar.

"I formsprutan, du trycksätter den smälta polymeren och skjuter in den precis som en sprutpistol i en form, " sa hon. "Jag började inse att det finns så mycket reologi som leder till de slutliga kristallisationsförhållandena. Formsprutningsprocessen är alldeles för komplicerad för att hoppa direkt in i slutet och ta en gjuten del och arbeta utifrån det."

Lyckligtvis, Rhoades kände precis den person som hade expertis inom polymerreologi för att komplettera hennes tillämpade ingenjörsbakgrund:Colby. De två hade träffats vid ett National Science Foundation-evenemang i Washington 2014 och hade planerat att samarbeta. En dag, medan du lämnar prover på MCL, Rhoades dök upp oanmäld på Colbys kontor.

"Jag lade den på bordet och sa i princip, här är vad jag kan göra, men jag behöver en bra medarbetare på reologisidan på grund av hur mycket polymerflödet driver kristallisation, " sa hon. "Han sa att de redan hade börjat göra polymerkristallisation vid långsam uppvärmning och kylhastighet men inte kunde uppnå höga hastigheter i deras labb. Partnerskapet var uppenbart och föll väl på plats."

Arbetet med Colby öppnade också dörren till en andra medarbetare, Scott Milner, William H. Joyce ordförande professor vid institutionen för kemiteknik, vars expertis inom teoretisk polymerfysik bidrog till Rhoades och Colbys bakgrund.

Blir varmare (och svalare)

Huvuddelen av trions experiment efterliknar vad som händer under formsprutning. De tar ett prov av material i fast form, värm den till strax över smältpunkten, applicera en kraft på materialet för att simulera hur det flyter in i en sprutform och sedan, när provet har fått svalna, de studerar det.

För att informera om vilka typer av experiment de ska köra, forskarna förlitar sig på teorier om hur polymerer ska bete sig i olika sammanhang. Det är där Milners expertis inom teori kommer in i bilden.

"När du är en experimenterare, du kanske tänker, 'Hur kan jag mäta det bättre än vad andra kan? Hur kan jag upptäcka något som andra människor inte kan upptäcka?'" sa Milner. "Som teoretiker, du har alltid i bakhuvudet, "Hur kan jag modellera detta?" och det förändrar ditt perspektiv."

Milners arbete i detta projekt innebär att modellera vad som händer med enskilda polymermolekyler när de utsätts för krafterna från formsprutning. Han kör datorsimuleringar som löser fysikekvationer för varje molekyl, indikerar var varje molekyl sannolikt kommer att röra sig i nästa ögonblick och vilken kraft den kan utöva på närliggande molekyler. Detta ger en bild av hur molekyler sannolikt kommer att orienteras när de svalnar till en statisk form. Mängden datorkraft som krävs för den här typen av arbete kan inte göras på ett enda skrivbord; istället, Milner förlitar sig på Penn State Institute for CyberSciences avancerade cyberinfrastruktur, en robust uppsättning av forskningsberäkningsverktyg tillgängliga för Penn State-forskare.

Milner har samarbetat med Colby sedan han gick med i Penn State 2008. De två träffades för första gången för decennier sedan, när Colby arbetade för Kodak och Milner var postdoktor på ExxonMobil. Milner citerar Colby som en av anledningarna till att han kom till Penn State.

"Jag ville veta vilken typ av människor det fanns att samarbeta med, och det verkade lockande att Ralph var i Penn State, " han sa.

Deras samarbete nådde nya höjder när de två samrådde en doktorand från 2012 till 2015. Det var då de började studera effekterna av flöde på polymerkristallisation. När Rhoades fick kontakt med Colby, trion var redo att dyka in i frågan om flödesinducerad kristallisering.

Redan deras första experiment har visat att andra mysterier äger rum i flytande plast utsatt för flöde, förutom de lite spontana riskornen och shish kebaberna. Till exempel, om en polymer smälts endast kort, det verkar "komma ihåg" sin molekylära orientering som ett fast ämne, sa Milner, och omkristalliseras till det mycket snabbare än om det stannade i flytande form längre.

"Juryn är fortfarande ute om jag eller andra teoretiker kommer att kunna bättre beskriva vad som händer med hjälp av matematiska modeller, sa Milner, "men vi har en mycket tydligare bild av vad som händer från de experiment som vi redan har gjort."

Retooling formsprutning

Varje nytt experiment som laget tar på sig är ännu ett försök att kika under huven av polymerkristallisation, och deras mål är att använda denna nya kunskap för att uppdatera formsprutningsmjukvaran. Detta kan spara företag hundratusentals dollar, sa Rhoades, förutom att säkerställa deras produkters hållbarhet.

"Att skära en stålform, det kan lätt kosta mer än $100, 000, " sa hon. "Om du sedan lär dig att din form måste justeras eftersom programvaran är avstängd, ett företag kanske måste skrota sin form och bygga en ny."

Teamet har arbetat nära två stora aktörer inom plastindustrin:GM, som tillverkar en mängd olika produkter för fordonsindustrin, och SKF, som specialiserat sig på avancerad teknisk termoplast för flygindustrin. En del av deras arbete matas redan in i formsprutningsprogramvara så att den mer exakt förutsäger hur den slutliga plastprodukten kommer att bete sig.

Men det finns fortfarande mycket att göra, och många okända att lösa. Nyckeln till att göra fler framsteg, Rhoades tror, lies not in one person examining the problem but in a collaborative approach.

"You can't make the type of progress we've made without having a team that spans the discipline, " she said. "Our work so far has been eye-opening and very exciting. We're showing that we're able to open a new chapter on polymer crystallization."