Bij de productie van dunne vezels uit vloeibare polymeren is het lastig om de uiteindelijke eigenschappen nauwkeurig te voorspellen. De vezel is vaak aanzienlijk dunner dan de opening waaruit het materiaal wordt geperst. Factoren zoals stroming, oppervlaktespanning en de snelheid waarmee het materiaal uithardt, beïnvloeden het eindresultaat.
Onderzoeker Jan Siemen Smink en zijn collega’s van de Universiteit Twente hebben een experimentele opstelling ontwikkeld waarmee deze processen afzonderlijk en in samenhang kunnen worden onderzocht.
Vloeibare hars uitharden met UV-licht
In de proefopstelling stroomt een UV-gevoelige vloeibare hars door een kleine spuitmond. Onder invloed van de zwaartekracht wordt de vloeistofstraal steeds verder uitgerekt, waardoor de diameter afneemt.
Vervolgens wordt de straal met UV-licht belicht. Dit activeert een polymerisatiereactie waardoor de vloeistof stolt en een vaste vezel ontstaat.
Door de intensiteit van het UV-licht te variëren, kunnen de onderzoekers beïnvloeden hoe snel en op welke plaats de hars uithardt. Ook blijkt het mogelijk om door het onderbreken van de belichting korte vezels te produceren in plaats van een doorlopende vezel.
Vier processen bepalen het resultaat
Het onderzoek laat zien dat de uiteindelijke vezeldiameter wordt bepaald door de wisselwerking tussen zwaartekracht, traagheid, oppervlaktespanning en de snelheid van de polymerisatiereactie.
Met behulp van experimenten en een natuurkundig model hebben de onderzoekers deze processen in kaart gebracht. Daarmee wordt beter voorspelbaar onder welke omstandigheden een stabiele vezel ontstaat en wanneer de vloeistofstraal uiteenvalt in druppels.
Mogelijkheden voor kunststofverwerking
Hoewel het onderzoek nog fundamenteel van aard is, kunnen de inzichten op termijn relevant zijn voor industriële toepassingen waarbij vloeibare polymeren worden omgezet in dunne structuren.
Denk bijvoorbeeld aan de productie van functionele polymeervezels en andere processen waarbij materialen tijdens het vormen worden uitgehard.
De onderzoekers benadrukken dat verdere ontwikkeling nodig is voordat de resultaten rechtstreeks in industriële productieprocessen kunnen worden toegepast.
Het onderzoek, getiteld Fast Solidification of a Gravity-Stretched Liquid Jet, is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.