Enquanto Ralph Colby observa a imagem do microscópio à sua frente, ele acha que pode distingui-los - "shish kebabs, "como os cientistas de polímeros os chamam. Ninguém sabe ao certo o que são, mas essas formas que aparecem em momentos aparentemente imprevisíveis, quando certos plásticos esfriam, têm um grande impacto nas propriedades gerais dos plásticos. Não é grande coisa quando um garfo de plástico quebra, mas se uma gaiola de rolamento em um avião se quebrasse, isso poderia colocar as pessoas em perigo.

Colby fez parceria com dois outros pesquisadores da Penn State para obter uma melhor compreensão básica de como os plásticos resfriam de um líquido para um sólido na moldagem por injeção. Trabalho deles, que envolve algumas técnicas novas, já está ajudando parceiros da indústria.

"Em última análise, esperamos sair de nossa pesquisa com uma melhor compreensão básica de como esses polímeros se cristalizam durante o fluxo, e também o conhecimento para colocar essas informações em software de moldagem por injeção, "disse Colby, professor de ciência e engenharia de materiais.

Do pellet ao produto

A maioria dos plásticos é produzida por moldagem por injeção, um processo pelo qual pequenas pelotas de plástico são derretidas, forçado em um molde de uma forma e resfriado rapidamente. Na forma derretida, polímeros são como uma tigela de espaguete, com moléculas individuais sendo uma confusão de macarrão. À medida que esfriam, eles começam a formar uma estrutura e esse processo é conhecido como cristalização. A forma como os cristais se formam pode afetar a resistência, durabilidade e outras propriedades do material.

O objetivo da moldagem por injeção é fazer com que os polímeros se orientem e cristalizem de uma maneira específica. Não é tão simples quanto aquecer e resfriar o material; em vez, requer a quantidade certa de pressão e temperatura para fazer as moléculas individuais interagirem bem umas com as outras e entrarem na ordem certa.

A moldagem por injeção é tão complicada que requer o uso de software para controlar diferentes parâmetros da máquina ao longo do processo. Esse software é baseado em dados de décadas atrás que precisam urgentemente ser atualizados, disse Alicyn Rhoades, professor assistente de engenharia na Penn State Behrend, que possui um renomado programa de tecnologia de engenharia de plásticos.

"Desde a década de 1950, engenheiros de polímeros têm desenvolvido processos de manufatura como moldagem por injeção com dados básicos que foram gerados com plásticos mudando 10 graus por minuto - mas na manufatura, polímeros estão sujeitos a resfriamento a uma taxa de 10 a 1, 000 graus por segundo, " ela disse.

A taxa de transferência de calor, dentro ou fora de um polímero, faz uma diferença incrível em como um polímero se comporta depois de esfriar. É semelhante a cozinhar, disse Rhoades. Colocar a massa de bolo no forno torna um produto muito diferente do que colocá-la na grelha.

Rhoades sabia que seria capaz de atingir os níveis de transferência de calor relevantes para a moldagem por injeção se ela usasse um dispositivo conhecido como calorímetro de varredura diferencial de flash, ou Flash DSC. A máquina aquece pequenas quantidades de polímeros a milhares de graus em uma fração de segundo.

Rhoades começou a discutir o assunto com a General Motors Company, e o conceito de pesquisa imediatamente afetou seus engenheiros de polímero. Em 2013, A GM fez um presente para a Penn State para que Rhoades pudesse comprar um Flash DSC.

"Grupos em todo o mundo usam o Flash DSC para estudar o vidro ou para pesquisas farmacêuticas, mas somos os primeiros a usá-lo para engenharia de plásticos, " ela disse.

Rhoades viaja para o campus do University Park com frequência para pesquisar e usar o Laboratório de Caracterização de Materiais, parte do Instituto de Pesquisa de Materiais. O laboratório é projetado para caracterizar, ou quantificar as propriedades de, materiais diferentes.

Em sua pesquisa, Rhoades sabia que estava faltando uma peça crucial:reologia, ou como os fluidos se comportam enquanto fluem.

"No moldador de injeção, você pressuriza o polímero derretido e atira como uma pistola de esguicho em um molde, "disse ela." Comecei a perceber que há tanta reologia que leva às condições finais de cristalização. O processo de moldagem por injeção é muito complicado para pular direto no final e pegar uma peça moldada e trabalhar a partir dela. "

Felizmente, Rhoades conhecia exatamente a pessoa que tinha experiência em reologia de polímeros para complementar sua formação em engenharia aplicada:Colby. Os dois se conheceram em um evento da National Science Foundation em Washington em 2014 e planejavam colaborar. Um dia, ao entregar amostras no MCL, Rhoades apareceu sem avisar no escritório de Colby.

"Eu coloquei sobre a mesa e basicamente disse:aqui está o que posso fazer, mas preciso de um bom colaborador no lado da reologia por causa de quanto o fluxo de polímero impulsiona a cristalização, "ela disse." Ele disse que eles já começaram a fazer cristalização de polímero em taxas de aquecimento e resfriamento lentas, mas não conseguiram atingir taxas altas em seu laboratório. A parceria era óbvia e se encaixou perfeitamente. "

Trabalhar com Colby também abriu a porta para um segundo colaborador, Scott Milner, o Professor William H. Joyce Chair do Departamento de Engenharia Química, cuja experiência em física de polímeros teórica acrescentou aos antecedentes de Rhoades e Colby.

Ficando mais quente (e mais frio)

A maior parte dos experimentos do trio imita o que acontece durante a moldagem por injeção. Eles pegam uma amostra do material na forma sólida, aquecê-lo até um pouco acima do seu ponto de fusão, aplique uma força ao material para simular como ele flui para um molde de injeção e, em seguida, uma vez que a amostra esfriou, eles o estudam.

Para informar quais tipos de experimentos devem ser executados, os cientistas contam com teorias de como os polímeros devem se comportar em diferentes contextos. É aí que a expertise de Milner em teoria entra em jogo.

"Quando você é um experimentador, você pode estar pensando, 'Como posso medir isso melhor do que os outros? Como posso detectar algo que outras pessoas não conseguem detectar? '", Disse Milner." Como teórico, você sempre tem em mente, 'Como posso modelar isso?' e isso muda sua perspectiva. "

O trabalho de Milner neste projeto envolve modelar o que acontece com as moléculas de polímero individuais quando são submetidas às forças da moldagem por injeção. Ele executa simulações de computador que resolvem equações físicas para cada molécula, indicando onde cada molécula provavelmente se moverá no momento seguinte e que força ela pode aplicar às moléculas próximas. Isso dá uma imagem de como as moléculas tendem a ser orientadas, uma vez que esfriem em uma forma estática. A quantidade de capacidade de computação necessária para este tipo de trabalho não pode ser realizada em um único desktop; em vez de, Milner conta com a infraestrutura avançada de CyberScience do Penn State Institute for CyberScience, um conjunto robusto de ferramentas de computação de pesquisa disponíveis para pesquisadores da Penn State.

Milner colabora com Colby desde que ingressou na Penn State em 2008. Os dois primeiros se conheceram há décadas, quando Colby estava trabalhando para a Kodak e Milner era um pesquisador de pós-doutorado na ExxonMobil. Milner cita Colby como uma das razões pelas quais ele veio para a Penn State.

"Queria saber com que tipo de pessoas colaborar, e parecia atraente que Ralph estava na Penn State, " ele disse.

A colaboração deles ganhou novos patamares quando os dois coorientaram um estudante de graduação de 2012 a 2015. Foi então que eles começaram a estudar os efeitos do fluxo na cristalização do polímero. Na época em que Rhoades se conectou com Colby, o trio estava pronto para mergulhar na questão da cristalização induzida por fluxo.

Seus experimentos iniciais já mostraram outros mistérios que acontecem dentro de plásticos líquidos sujeitos a fluxo, além dos grãos de arroz um tanto espontâneos e espetadas de peixe. Por exemplo, se um polímero é derretido apenas brevemente, parece "lembrar" sua orientação molecular como um sólido, disse Milner, e recristaliza muito mais rapidamente do que se permanecesse na forma líquida por mais tempo.

"O júri ainda não decidiu se eu ou outros teóricos seremos capazes de descrever melhor o que está acontecendo usando modelos matemáticos, "disse Milner, "mas temos uma imagem muito mais clara do que está acontecendo com os experimentos que já fizemos."

Moldagem por injeção de Retooling

Cada novo experimento que a equipe realiza é mais uma tentativa de espiar sob o capô da cristalização de polímeros, e seu objetivo é usar esse novo conhecimento para atualizar o software de moldagem por injeção. Isso pode economizar centenas de milhares de dólares para as empresas, disse Rhoades, além de garantir a durabilidade de seus produtos.

"Para cortar um molde de aço, pode facilmente custar mais de US $ 100, 000, "disse ela." Se você descobrir que seu molde precisa ser ajustado porque o software está desligado, uma empresa pode ter que descartar seu molde e construir um novo. "

A equipe tem trabalhado em estreita colaboração com dois grandes jogadores da indústria de plásticos:GM, que fabrica uma variedade de produtos para a indústria automotiva, e SKF, especializada em termoplásticos de engenharia de ponta para a indústria aeroespacial. Parte do trabalho deles já está sendo alimentado no software de moldagem por injeção para que ele preveja com mais precisão como o produto plástico final se comportará.

Mas ainda há muito trabalho a fazer, e muitas incógnitas para resolver. A chave para fazer mais progresso, Rhoades acredita, reside não em uma pessoa examinando o problema, mas em uma abordagem colaborativa.

"Você não pode fazer o tipo de progresso que fizemos sem ter uma equipe que abrange a disciplina, " 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."