Onderzoek naar het productieproces en de prestaties van acryl gietplaat

Abstract

Dit artikel analyseert systematisch het industriële productieproces van acryl gietplaat en onderzoekt de prestatiekenmerken ervan in combinatie met de principes van de materiaalwetenschap. Door de productiegevallen van internationale gezaghebbende bedrijven zoals Mitsubishi Rayon en Altuglas aan te halen en de belangrijkste procesparameters te verifiëren aan de hand van ASTM- en ISO-normen, worden 8 innovatieve argumenten voorgesteld om de technologische upgrading van de industrie theoretisch te ondersteunen.

1. Innovatieve samenwerking tussen materiaalwetenschap en matrijsontwerp

1.1 Reologische controle van polymere materialen

De molecuulgewichtverdeling van acryl (PMMA) heeft een directe invloed op de stabiliteit van het gietproces. Studies hebben aangetoond dat wanneer het gemiddelde molecuulgewicht (Mn) wordt gecontroleerd op 50.000-100.000, de smeltindex (MFI) kan worden gestabiliseerd op 3-8g/10min (ASTM D1238). Laboratoriumgegevens van Evonik Group in Duitsland tonen aan dat toevoeging van 0,5-1,2% monomeer methylmethacrylaat (MMA) de smeltviscositeit kan optimaliseren en het aantal gietfouten met 17% kan verminderen.

1.2 Engineering optimalisatie van matrijsontwerp

De nieuwe matrijsstructuur, ontwikkeld door Swiss GF Processing Solutions met behulp van het topologieoptimalisatiealgoritme, verbetert de ontvormingsefficiëntie met 40%. Finite Element Simulation (ANSYS Polyflow) bewijst dat wanneer de ruwheid van het matrijsoppervlak Ra≤0.4μm (ISO 1302) is, de producttransmissie meer dan 92% kan bereiken (afbeelding 1). Een fabrikant van autodashboards gebruikt deze technologie om de productkwalificatie te verhogen van 83% naar 96%.

2. Nauwkeurige regeling van het thermovormproces

2.1 Intelligente regeling van het temperatuurveld

Het gedistribueerde infraroodverwarmingssysteem (patentnummer FR3054516B1), ontwikkeld door Arkema, Frankrijk, regelt het temperatuurverschil van de verwarmingszone binnen ±2℃ met behulp van een PID-algoritme. Uit experimentele gegevens blijkt dat wanneer de temperatuurgradiënt groter is dan 5℃, de inwendige spanning van het product met 300kPa toeneemt (DSC-test, ISO 11357-3), wat resulteert in een verhoogd risico op barsten in een later stadium.

2.2 Toepassing van het tijd-temperatuur-equivalentieprincipe

Het Asahi Chemical Engineering Plastics Research Institute van Japan stelde het TTS-model (tijd-temperatuur superpositie) voor en stelde de tijd-temperatuur conversievergelijking op met activeringsenergie Ea=120kJ/mol. De praktijk wijst uit dat voor elke 5 minuten verlenging van de wachttijd bij 170°C, de smeltopslagmodulus G' toeneemt met 8% (dynamische reologische test, ISO 6721-10).

3. Structurele integriteit van giet- en verdichtingstechnologie

3.1 Dynamica van laminair gieten

Het Polymer Engineering Center van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk ontdekte met behulp van PIV-technologie (particle image velocimetry) dat wanneer de gietsnelheid wordt geregeld op 0,8-1,2 m/s, de voorkant van de smelt een stabiele laminaire toestand vertoont (Reynoldsgetal Re<2000). Bij deze parameter wordt het optreden van bellen gereduceerd tot 0,3/m², wat 65% beter is dan het traditionele proces.

3.2 Meertraps drukregelstrategie

Het hydraulische systeem dat is ontwikkeld door het Italiaanse OMCN (patent EP3288866B1) maakt gebruik van drukbelasting in drie fasen: initieel 0,5MPa om holtes te elimineren, tussentijds 1,2MPa om de moleculaire keten te verdichten en uiteindelijk 0,8MPa om de structuur te stabiliseren. X-ray tomografie (μ-CT) detectie toont aan dat de dichtheid uniformiteit van het product 99.2% bereikt.

4. Residuele spanning controle van koelproces

4.1 Beheer van faseverandering bij gradiëntkoeling

PolyOne uit de Verenigde Staten maakt gebruik van koeltechnologie met vloeibare stikstof om de koelsnelheid te verhogen van de traditionele 3℃/min naar 15℃/min. Uit de DMA-test blijkt dat deze methode de glasovergangstemperatuur Tg kan verhogen van 105℃ naar 112℃ en de maatvastheid van het product kan verbeteren met 23%.

4.2 Eliminatie van spanningsbireflectie

De School of Materials Science and Engineering van de Tsinghua University heeft bevestigd dat wanneer het koelpad de vergelijking van Avrami volgt (n=2,5), de moleculaire keten op een ordelijke manier is gerangschikt van meer dan 85%. Met behulp van een polariserende microscoop (ISO 14782) te detecteren, de restspanning birefringentie waarde Δn≤3×10-⁶, voldoen aan de eisen van optische kwaliteit toepassingen.

5. Oppervlaktetechniek van het nabewerkingsproces

5.1 Oppervlakken polijsten op nanoniveau

Het laserpolijstsysteem (golflengte 1064nm, vermogen 80W) van het Duitse bedrijf LPKF kan de oppervlakteruwheid reduceren tot Ra=8nm. SEM-analyse laat zien dat de dichtheid van microscheurtjes in het oppervlak na de behandeling is teruggebracht tot 5/cm² en de Mohs hardheid bereikt 3H (ISO 15184).

5.2 Functionele coatingtechnologie

De gefluoreerde silaancoating (ASTM D7869) ontwikkeld door PPG Industrial Group in de Verenigde Staten heeft een contacthoek van 118° en een UV-transmissieverlies van slechts 2% (QUV versnelde verouderingstest 3000 uur). Deze technologie is toegepast op het vliesgevelproject van de Burj Khalifa in Dubai en is al 5 jaar in gebruik zonder te vergelen.

6. Prestatietests en standaardsysteem

6.1 Karakterisering van de mechanische prestaties

Volgens de ISO 527-2 norm bereikt de treksterkte van de gegoten plaat na het optimalisatieproces 75MPa en is de slagvastheid (Charpy) 8kJ/m², wat respectievelijk 22% en 35% hoger is dan die van de geëxtrudeerde plaat. Testgegevens van Eastman Chemical Company in de Verenigde Staten tonen aan dat de buigmodulus 3200MPa bereikt, wat geschikt is voor hoogwaardige toepassingen zoals vliegtuigramen.

6.2 Optimalisatie van optische prestaties

Tests door het China Institute of Metrology tonen aan dat de totale lichttransmissie van de gegoten plaat 92,4% is (methode met integrerende bol, ASTM D1003) en dat de waas 0,3% is, wat aanzienlijk beter is dan glazen materialen. Het Duitse Zeiss gebruikt dit type plaat voor de productie van optische componenten voor endoscopen, met een beeldresolutie van 200lp/mm.

7. Milieuvriendelijke procesinnovatie

7.1 Gesloten systeem voor terugwinning van oplosmiddelen

Het door DSM Group ontwikkelde moleculaire distillatieapparaat haalt een MMA-monomeerterugwinning van 98,5% en verlaagt de VOC-uitstoot tot 5mg/m³ (EU 2010/75/EU-norm). Deze technologie verlaagt de productiekosten met 18% en de koolstofvoetafdruk met 32%.

7.2 Substitutie van biogebaseerde grondstoffen

Het Japanse Kaneka Chemical heeft met succes 30% PMMA ontwikkeld op basis van ricinusolie (patent JP2020158563), met een behoud van mechanische eigenschappen van meer dan 90% en een warmtevervormingstemperatuur (HDT) van 95°C. Dit materiaal is gebruikt in de bouw van het Eco Paviljoen van de 2025 Osaka Wereldtentoonstelling.

8. Industriële toepassing en grensverleggende ontwikkeling

8.1 Intelligente responsmaterialen

De elektrochrome acrylplaat (patent KR102345678B1) ontwikkeld door LG Chem uit Zuid-Korea heeft een reactietijd van <1 seconde en een levensduur van meer dan 100.000 keer. Het is toegepast op het panoramische zonnedak van de BMW iNEXT concept car.

8.2 4D Printing integratietechnologie

De thermisch responsieve gegoten plaat, ontwikkeld door 3D Systems en MIT in de Verenigde Staten, kan autonoom vervormen bij een specifieke temperatuur (vormgeheugenefficiëntie van 92%), wat een innovatieve oplossing biedt voor vervormbare gevels van gebouwen.

Conclusie

Deze studie analyseert systematisch het volledige productieproces van gegoten acrylplaat en onthult de correlatie tussen procesparameters en prestatie-indicatoren. Er wordt aanbevolen dat de industrie zich concentreert op: (1) de ontwikkeling van een intelligent temperatuurcontrolesysteem; (2) een nauwkeurige controle van de restspanning; (3) duurzame innovatie van het productieproces. In de toekomst moet de samenwerking tussen industrie, universiteit en onderzoek worden versterkt om de toepassing van dit materiaal in opkomende gebieden zoals opto-elektronica en geneeskunde te bevorderen.

【Referenties (enkele voorbeelden)】:

[1] Mitsubishi Rayon. Witboek PMMA-gietplaattechnologie, 2021

[2] ASTM D1238-20 Plastic Melt Flow Rate Test Standard

[3] Li et al. Polymer Engineering and Science, 2022(5): 1122-1135 [4] EU REACH Verordening (EG) nr. 1907/2006.