Definisi baru komposit?

Seiring berkembangnya teknologi komposit, demikian pula pemahaman kita tentang apa itu komposit dan apa yang dapat ditawarkannya.

Blog ini berasal dari siaran pers yang saya terima dari IntegriCo Composites (Sarepta, La., U.S.), yang memproduksi ikatan silang kereta api komposit dan tikar konstruksi. Saat melihat siaran pers dan situs web mereka, yang keduanya berfokus pada daur ulang dan mengubah sampah plastik menjadi produk akhir yang berkelanjutan dan berkinerja lebih baik, saya menyadari bahwa ini adalah teknologi plastik 100%. Jadi, saya membalas dan berkata, "definisi komposit Anda tidak sesuai dengan definisi kami." Tapi aku salah.

Bagaimana campuran menjadi komposit

Apa definisi dari komposit ?

Saya menjelaskan bahwa sementara IntegriCo mengklaim bahwa produknya adalah komposit dengan sifat unggul, sebenarnya mereka adalah paduan - campuran plastik yang meleleh. Tidak ada penguat serat dan tidak lebih dari satu bahan yang dapat diidentifikasi dalam produk akhir.

Brian Arkwood, chief technical officer untuk IntegriCo, memohon untuk berbeda, menjelaskan bahwa produk IntegriCo adalah campuran dari dua atau lebih jenis bahan yang mempertahankan identitas unik, dirancang dan direkayasa melalui pemrosesan untuk memberikan karakteristik dan kinerja yang unggul. “Izinkan saya untuk mengklarifikasi,” katanya.

Proses kami menggunakan campuran HDPE (high density polyethylene) dan LDPE (low density polyethylene), serta polypropylene dan polystyrene. Ini dirancang, karena masing-masing polimer yang berbeda ini berkontribusi pada keseluruhan karakteristik produk akhir. Kita dapat memanipulasi dan/atau mengubah sifat produk akhir dengan membedakan rasio setiap plastik dan/atau pengolahan campuran keseluruhan. Namun, berbagai plastik tidak hanya dilebur menjadi satu.

Di sinilah campuran ini dibedakan sebagai komposit:

“Plastik dengan berat molekul lebih tinggi (HMW) yang tidak meleleh diselingi melalui polimer kontinu dari plastik yang diproses di atas suhu leleh. Saat campuran ini mendingin, plastik mengalami proses nukleasi. Laju dan proses nukleasi dikendalikan oleh suhu pemrosesan, laju pendinginan dan pembebanan berikutnya dari zat nukleasi. Agen ini adalah bahan kimia yang dikembangkan oleh IntegriCo dan hanya digunakan dalam proses kami.”

“Saat nukleasi terjadi, kristalinitas keseluruhan campuran plastik dimanipulasi dan polimer non-leleh HMW terjerat di antara rantai polimer yang terikat secara kovalen. Polimer juga dimanipulasi melalui tegangan geser untuk mengurangi viskositas selama pencetakan guna mendorong interaksi yang lebih baik dan keterikatan polimer berinti dengan polimer yang tidak meleleh.”

Nukleasi, kristalinitas, dan rasio aspek pengontrol

Bagi saya, konsep kunci di sini adalah nukleasi (proses awal pembentukan kristal), kontrol kristalinitas (mengelola pembentukan kristal) dan memanipulasi proses untuk mencapai antarmuka yang lebih baik antara polimer berinti terjerat dan polimer tidak meleleh. Bagian terakhir sangat penting untuk komposit, karena tanpa antarmuka yang baik antara bahan yang berbeda, tidak ada transfer beban yang efektif dan tidak ada kinerja yang unggul.

Juga, ingat bahwa di daerah pertumbuhan tinggi komposit termoplastik, polimer yang menawarkan sifat mekanik yang lebih tinggi serta suhu yang lebih besar dan ketahanan kimia adalah semi-kristal. Sifat semi-kristal tersebut dicapai dan disesuaikan dengan mengelola kristalinitas, biasanya melalui kontrol suhu selama pemrosesan.

Crossties kereta api komposit IntegriCo menawarkan cara untuk menggunakan kembali limbah plastik dalam produk komposit kinerja yang unggul, di mana plastik dengan leleh tinggi memanjang memperkuat matriks plastik dengan leleh rendah. SUMBER | Komposit IntregiCo

Deskripsi Arkwood juga membuat saya berpikir tentang plastik yang diperkuat sendiri (SRP) , seperti Pure, Curv, Armordon, Tegris dan yang terbaru, proyek BIO4SELF, yang memenangkan Penghargaan Inovasi JEC 2019. Biasanya, komposit SRP dibuat dengan menggunakan polimer suhu leleh rendah (PE, PP atau biopolimer PLA) dan memperkuatnya dengan serat suhu leleh yang lebih tinggi yang terbuat dari polimer yang sama. Penggunaan polimer suhu leleh tinggi dan rendah ini persis seperti yang dilakukan IntegriCo. Jadi saya bertanya kepada Arkwood apakah polimer non-lebur dengan berat molekul lebih tinggi (HMW) yang dia gunakan benar-benar muncul/membentuk/berperilaku seperti serat ?

"Ini memungkinkan beberapa manfaat yang sama seperti serat," katanya. “Kami mengubah rasio aspek polimer HMW dalam matriks polimer untuk mendorong sifat produk. Meningkatkan atau menurunkan polimer HMW, ditambah dengan perubahan parameter operasi lainnya, dapat memiliki efek signifikan pada sifat plastik seperti modulus elastisitas, modulus pecah dan kekerasan.”

Arkwood menjelaskan bahwa IntegriCo dapat memodifikasi rasio polimer dan parameter operasi untuk memenuhi kebutuhan pelanggan tertentu. “Kami telah mendokumentasikan ini dengan data pengujian yang merusak dan telah memenuhi permintaan berbasis properti untuk pelanggan termasuk Union Pacific dan Angkatan Darat AS. Rasio polimer — HMW terhadap LMW dan linier terhadap non-linier atau sangat bercabang — berperan dalam produk kami seperti penguatan serat pada produk komposit plastik lainnya, dengan memengaruhi sifat kinerja utama kekuatan, kekakuan, kekerasan, dan ketangguhan.”

Keberlanjutan

Jadi, poin pertama, IntegriCo memang memberikan inspirasi yang patut dicatat oleh industri komposit karena planet kita dihancurkan dengan limbah. Lebih dari 90% plastik menjadi sampah di seluruh dunia dan lebih dari 34 juta metrik ton plastik dikirim ke tempat pembuangan sampah atau insinerator setiap tahun di AS dan Kanada saja. IntegriCo menawarkan solusi nyata dengan mendaur ulang plastik campuran kaku dan biasanya tidak dapat didaur ulang grade 3-7, yang dihentikan penerimaannya oleh China pada tahun 2018. Plastik grade 3-7 adalah plastik yang lebih sulit untuk didaur ulang seperti yang diklasifikasikan oleh ASTM International Resin Identification Coding System (RIC) yang mengidentifikasi polimer penyusun dan daur ulang semua plastik. Kelas 1 (PETE, PET) dan 2 (HDPE) sangat dapat didaur ulang, dan 5 (PP) mulai didaur ulang, sementara semua kelas lainnya termasuk 3 (PVC), 4 (LDPE), 6 (PS) dan 7 (Lainnya ) saat ini tidak didaur ulang. Oleh karena itu, IntegriCo membuat perbedaan, mengalihkan limbah dari TPA dan merekayasanya menjadi produk komposit bernilai tambah yang bertahan lebih lama daripada alternatif, menghasilkan lebih sedikit limbah dari waktu ke waktu.

Nano-CMC

Poin kedua saya adalah bahwa teknologi bergerak maju dalam apa itu komposit. Saya percaya itu sudah berdampak pada kemajuan ilmu material komposit dan saya ingin semoga menginspirasi perkembangan lebih lanjut. Apa yang memicu kesadaran ini bagi saya adalah penggunaan nukleasi oleh Arkwood . Saya langsung mengenalinya dari penelitian terbaru saya tentang komposit matriks keramik nano (nano-CMC, lihat artikel saya di bulan Juli 2019 tentang nanokomposit).

Ini dari artikel November 2017, “Nanokomposit polimer dan keramik untuk aplikasi luar angkasa” :

“ Nanokomposit adalah bahan abad kedua puluh satu yang memiliki tingkat pertumbuhan tahunan sebesar 25% karena kemampuan multifungsinya. … Karena kemungkinan menggabungkan sifat-sifat yang diinginkan, nanokomposit memperluas potensinya dalam aplikasi luar angkasa dan dalam misi luar angkasa di masa depan. … Nanofiller meningkatkan kemampuan nukleasi dengan meningkatkan interaksi antarmuka dengan matriks polimer.”

Saya tidak dapat menjamin tingkat pertumbuhan 25%, tetapi jelas nanokomposit menawarkan banyak potensi. Teks ini membahas nukleasi nanofiller. Apa yang baru bagi saya adalah pengembangan nano-CMC di mana matriks keramik sebenarnya diperkuat bukan dengan serat atau pengisi tetapi keramik lain, di mana nukleasi dan kristalisasi dikontrol untuk menghasilkan penguatan rasio aspek tinggi.

Dalam fitur Juli 2019 saya di nanokomposit, saya menggunakan ilustrasi dari artikel Paola Palmero tahun 2015, “Nanokomposit Keramik Struktural:Tinjauan Sifat dan Metode Sintesis Serbuk” untuk menunjukkan contoh komposit skala mikro dan nano. A, B dan C menunjukkan matriks mikro (mikronik) yang diperkuat dengan partikel nano, serat nano atau nanoplatelet, masing-masing, sedangkan D memiliki penguatan nano rasio aspek yang bulat dan tinggi. Namun, E dan F menggambarkan nanokomposit bifase dan multifasa , masing-masing, di mana keramik skala nano tidak dapat bercampur.

Gbr. 1 Struktur komposit mikro/nano umum untuk bahan keramik.
SUMBER | “Nanokomposit Keramik Struktural:Tinjauan Sifat dan Metode Sintesis Bubuk” oleh Paola Palmero.

Palmero menjelaskan di tempat kristalisasi fase kedua pada permukaan partikel matriks — dengan kata lain, matriks adalah fase pertama dan keramik lain adalah fase kedua — sebagai salah satu proses kunci yang terlibat dalam pembuatan nanokomposit keramik. Setelah kristalisasi, ukuran dan bentuk kristal atau butiran keramik diatur, yang sangat penting, karena ini menentukan sifat massal komposit keramik. Misalnya, butiran memanjang diketahui memiliki in-situ efek pengerasan. Palmero mencatat bahwa kemampuan untuk menyesuaikan fitur berstrukturnano yang diinginkan dalam komposit yang disinter ini sangat penting tetapi menantang, mengharuskan kontrol proses yang ketat selama pencampuran, pembentukan, sintering, dan densifikasi.

Ilustrasi dan diskusi serupa terlihat pada Gambar. 6 dalam buku Intechopen.com, Karakteristik Fisik dan Metalurgi Komposit Matriks Keramik Bertulang Serat . Bagian 9.1.2 membahas struktur mikro silikon nitrida(Si₃ N₄ )/silikon karbida (SiC) nanokomposit, yang dibuat dengan sintering (pengepresan panas). Struktur mikronya mengandung partikel - Si₃ . yang besar dan memanjang N₄ (kumis) yang dikelilingi oleh partikel halus - Si₃ N₄ dengan bentuk jarum. Mikrograf elektron pemindaian di bawah dari Gambar 7b menunjukkan struktur ini pada perbesaran ke-20.000.

Penampang nanokomposit keramik bi-fasik (kiri) dan komposit plastik daur ulang (kanan) ini sebenarnya cukup mirip, meskipun sangat berbeda dari penampang komposit yang diperkuat serat kontinu konvensional.

SUMBER | Gambar 7, Bagian 9.1.2 dari Karakteristik Fisik dan Metalurgi Komposit Matriks Keramik Bertulang Serat oleh Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová dan Petr Jonšta (kiri) dan penampang melintang rel kereta api komposit, IntegriCo Composites (kanan).

Manfaat komposit bi dan multifasa

Jadi mengapa ini bermanfaat bagi industri komposit? Karena ilmuwan material menggunakan definisi baru komposit ini untuk mencapai kombinasi unik yang disesuaikan dari sifat mekanik, termal, listrik, dan ablatif . Misalnya, Naval Research Laboratory (NRL, Washington, D.C., AS) telah mengembangkan komposit silikon nitrida, zirkonium nitrida, dan titanium diborida serta metode untuk memperkuatnya dengan serat yang kuat. Keramik tahan api ini menunjukkan kekuatan tinggi, stabilitas termal dan konduktivitas listrik dan termal variabel yang memungkinkan mereka untuk memenuhi tuntutan komponen kendaraan hipersonik — sesuatu yang tidak dapat dilakukan oleh komposit polimer organik dan bahkan paduan logam canggih.

NRL juga mengembangkan teknologi manufaktur aditif yang akan menggabungkan struktur nano ke dalam bahan-bahan ini dan selanjutnya menyempurnakan sifat pelindung dielektrik, termal, dan elektromagnetik pada resolusi yang lebih tinggi daripada yang mungkin dengan bahan yang tersedia saat ini . Meskipun Anda tidak selalu setuju dengan aplikasi pertahanan yang direncanakan untuk bahan-bahan ini, mereka juga dapat memberikan solusi yang berharga untuk eksplorasi ruang angkasa yang direncanakan dan misi ke Mars. Tetapi mereka juga dapat membuka jalan baru untuk komposit berbasis bio penuh yang tidak hanya menawarkan kinerja tinggi di bumi ini, tetapi juga kemampuan untuk melakukannya secara berkelanjutan dan dengan cara yang membuat material dan produk akhir dapat diproduksi dan didaur ulang dengan menggunakan lebih sedikit energi dan sumber daya.

Saya tidak menyarankan bahwa komposit yang diperkuat serat keluar dari panggung atau bahkan memudar. Namun seiring berkembangnya teknologi, pemahaman kita tentang apa itu komposit dan apa yang dapat ditawarkannya juga harus dipahami.