Alors que Ralph Colby regarde l'image au microscope devant lui, il pense qu'il peut les distinguer—"shish kebabs, " comme les appellent les scientifiques des polymères. Personne ne sait avec certitude ce qu'ils sont, mais ces formes qui apparaissent à des moments apparemment imprévisibles lorsque certains plastiques refroidissent ont un impact important sur les propriétés globales des plastiques. Ce n'est pas grave quand une fourchette en plastique casse, mais si une cage de roulement sur un avion venait à se briser, cela pourrait mettre des personnes en danger.

Colby s'est associé à deux autres chercheurs de Penn State pour mieux comprendre comment les plastiques passent d'une forme liquide à une forme solide dans le moulage par injection. Leur travail, ce qui implique de nouvelles techniques, aide déjà les partenaires de l'industrie.

"Finalement, nous espérons sortir de nos recherches avec une meilleure compréhension de base de la façon dont ces polymères cristallisent pendant l'écoulement, et aussi les connaissances nécessaires pour mettre ces informations dans un logiciel de moulage par injection, " dit Colby, professeur de science et ingénierie des matériaux.

De la pastille au produit

La plupart des plastiques sont produits par moulage par injection, un processus par lequel de petites pastilles de plastique sont fondues, forcé dans un moule d'une forme et rapidement refroidi. Sous forme fondue, les polymères sont comme un bol de spaghettis, avec des molécules individuelles étant un désarroi de nouilles. En refroidissant, ils commencent à former une structure et ce processus est connu sous le nom de cristallisation. La façon dont les cristaux se forment peut affecter la force, durabilité et autres propriétés du matériau.

L'objectif du moulage par injection est d'amener les polymères à s'orienter et à cristalliser d'une manière spécifique. Ce n'est pas aussi simple que de simplement chauffer et refroidir le matériau; plutôt, il faut la bonne quantité de pression et de température pour que les molécules individuelles jouent bien les unes avec les autres et entrent dans le bon ordre.

Le moulage par injection est suffisamment compliqué pour nécessiter l'utilisation d'un logiciel pour contrôler différents paramètres de la machine tout au long du processus. Ce logiciel est basé sur des données d'il y a des décennies qui ont cruellement besoin d'être mises à jour, dit Alicyn Rhoades, professeur adjoint d'ingénierie à Penn State Behrend, qui a un programme renommé de technologie d'ingénierie des plastiques.

« Depuis les années 50, les ingénieurs en polymères ont conçu des processus de fabrication tels que le moulage par injection avec des données de base générées avec des plastiques changeant de 10 degrés par minute, mais dans la fabrication, les polymères sont soumis à un refroidissement à une vitesse de 10 à 1, 000 degrés par seconde, " elle a dit.

Le taux de transfert de chaleur, soit dans ou hors d'un polymère, fait une différence incroyable dans le comportement d'un polymère une fois refroidi. C'est comme la cuisine, dit Rhoades. Mettre la pâte à gâteau au four fait un produit bien différent que de la déposer sur la plaque chauffante.

Rhoades savait qu'elle serait capable d'atteindre les niveaux de transfert de chaleur pertinents pour le moulage par injection si elle utilisait un dispositif appelé calorimètre à balayage différentiel flash, ou Flash DSC. La machine chauffe de petites quantités de polymères jusqu'à des milliers de degrés en une fraction de seconde.

Rhoades a commencé à discuter de la question avec General Motors Company, et le concept de recherche a immédiatement touché une corde sensible chez leurs ingénieurs en polymères. En 2013, GM a fait un cadeau à Penn State pour que Rhoades puisse acheter un Flash DSC.

"Des groupes du monde entier utilisent le Flash DSC pour étudier le verre ou pour la recherche pharmaceutique, mais nous sommes les premiers à l'utiliser pour la plasturgie, " elle a dit.

Rhoades se rend souvent sur le campus de University Park pour ses recherches afin d'utiliser le laboratoire de caractérisation des matériaux, partie de l'Institut de recherche sur les matériaux. Le laboratoire est conçu pour caractériser, ou quantifier les propriétés de, différents matériaux.

Dans ses recherches, Rhoades savait qu'il lui manquait une pièce cruciale :la rhéologie, ou comment les fluides se comportent en s'écoulant.

"Dans la presse à injecter, vous pressurisez le polymère fondu et le tirez comme un pistolet à eau dans un moule en forme, " dit-elle. " J'ai commencé à réaliser qu'il y a tellement de rhéologie qui mène aux conditions finales de cristallisation. Le processus de moulage par injection est beaucoup trop compliqué pour intervenir directement à la fin et prendre une pièce moulée et travailler à partir de cela."

Heureusement, Rhoades connaissait la personne qui possédait l'expertise en rhéologie des polymères pour compléter sa formation en ingénierie appliquée :Colby. Les deux s'étaient rencontrés lors d'un événement de la National Science Foundation à Washington en 2014 et avaient prévu de collaborer. Un jour, lors du dépôt des échantillons au MCL, Rhoades s'est présenté à l'improviste au bureau de Colby.

"Je l'ai posé sur la table et j'ai dit en gros, voici ce que je peux faire, mais j'ai besoin d'un bon collaborateur du côté rhéologie à cause de combien le flux de polymère entraîne la cristallisation, " a-t-elle dit. " Il a dit qu'ils avaient déjà commencé à faire de la cristallisation de polymères à des vitesses de chauffage et de refroidissement lentes, mais qu'ils ne pouvaient pas atteindre des vitesses élevées dans leur laboratoire. Le partenariat était évident et s'est bien mis en place."

Travailler avec Colby a également ouvert la porte à un deuxième collaborateur, Scott Milner, le professeur titulaire de la chaire William H. Joyce au Département de génie chimique, dont l'expertise en physique théorique des polymères s'est ajoutée aux antécédents de Rhoades et de Colby.

Devenir plus chaud (et plus frais)

La majeure partie des expériences du trio imitent ce qui se passe pendant le moulage par injection. Ils prélèvent un échantillon de matière sous forme solide, le chauffer juste au-dessus de son point de fusion, appliquer une force sur le matériau pour simuler son écoulement dans un moule à injection, puis, une fois l'échantillon refroidi, ils l'étudient.

Pour indiquer quels types d'expériences ils doivent exécuter, les scientifiques s'appuient sur des théories sur la façon dont les polymères devraient se comporter dans différents contextes. C'est là que l'expertise théorique de Milner entre en jeu.

"Quand tu es un expérimentateur, vous pensez peut-être, « Comment puis-je mesurer cela mieux que les autres ? Comment puis-je détecter quelque chose que les autres ne peuvent pas détecter ? » a déclaré Milner. « En tant que théoricien, vous avez toujours dans le dos de votre esprit, « Comment puis-je modéliser cela ? » et cela change votre point de vue."

Le travail de Milner dans ce projet consiste à modéliser ce qui arrive aux molécules de polymère individuelles lorsqu'elles sont soumises aux forces du moulage par injection. Il exécute des simulations informatiques qui résolvent des équations physiques pour chaque molécule, indiquant où chaque molécule est susceptible de se déplacer dans l'instant suivant et quelle force elle pourrait appliquer aux molécules voisines. Cela donne une image de la façon dont les molécules sont susceptibles d'être orientées une fois qu'elles ont refroidi dans une forme statique. La quantité de puissance de calcul requise pour ce type de travail ne peut pas être effectuée sur un seul bureau; au lieu, Milner s'appuie sur la cyberinfrastructure avancée du Penn State Institute for CyberScience, un ensemble robuste d'outils informatiques de recherche disponibles pour les chercheurs de Penn State.

Milner collabore avec Colby depuis qu'il a rejoint Penn State en 2008. Les deux premiers se sont rencontrés il y a des décennies, lorsque Colby travaillait pour Kodak et que Milner était chercheur postdoctoral chez ExxonMobil. Milner cite Colby comme l'une des raisons pour lesquelles il est venu à Penn State.

"Je voulais savoir avec quel genre de personnes il y avait avec qui collaborer, et il semblait attrayant que Ralph soit à Penn State, " il a dit.

Leur collaboration a atteint de nouveaux sommets lorsqu'ils ont co-encadré un étudiant diplômé de 2012 à 2015. C'est alors qu'ils ont commencé à étudier les effets de l'écoulement sur la cristallisation des polymères. Au moment où Rhoades s'est connecté avec Colby, le trio était prêt à se pencher sur la question de la cristallisation induite par le flux.

Déjà leurs premières expériences ont montré d'autres mystères se déroulant au sein de plastiques liquides soumis à un écoulement, en plus des grains de riz un peu spontanés et des brochettes de shish. Par exemple, si un polymère n'est fondu que brièvement, il semble "se souvenir" de son orientation moléculaire en tant que solide, dit Milner, et recristallise beaucoup plus rapidement que s'il restait sous forme liquide plus longtemps.

"Le jury ne sait toujours pas si moi ou d'autres théoriciens serons en mesure de mieux décrire ce qui se passe à l'aide de modèles mathématiques, " dit Milner, "mais nous avons une image beaucoup plus claire de ce qui se passe à partir des expériences que nous avons déjà faites."

Réoutillage moulage par injection

Chaque nouvelle expérience que l'équipe entreprend est une nouvelle tentative de jeter un coup d'œil sous le capot de la cristallisation des polymères, et leur objectif est d'utiliser ces nouvelles connaissances pour mettre à jour le logiciel de moulage par injection. Cela pourrait faire économiser aux entreprises des centaines de milliers de dollars, dit Rhoades, en plus d'assurer la durabilité de leurs produits.

"Pour découper un moule en acier, cela peut facilement coûter plus de 100 $, 000, " dit-elle. " Si vous apprenez ensuite que votre moule doit être ajusté parce que le logiciel est désactivé, une entreprise pourrait devoir mettre au rebut son moule et en construire un nouveau."

L'équipe a travaillé en étroite collaboration avec deux acteurs majeurs de l'industrie du plastique :GM, qui fabrique une variété de produits pour l'industrie automobile, et SKF, qui se spécialise dans les thermoplastiques techniques haut de gamme pour l'industrie aérospatiale. Une partie de leur travail est déjà intégrée au logiciel de moulage par injection afin qu'il prédise plus précisément le comportement du produit plastique final.

Mais il y a encore beaucoup de travail à faire, et de nombreuses inconnues à résoudre. La clé pour faire plus de progrès, Rhoades croit, ne réside pas dans l'examen du problème par une seule personne, mais dans une approche collaborative.

"Vous ne pouvez pas faire le type de progrès que nous avons fait sans avoir une équipe qui couvre la 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."