每日消息!揭示正面聚合和自然對流之間的模式

2023-03-31 19:09:22 來源：互聯(lián)網(wǎng)

自傳播化學(xué)反應(yīng)可以將液體單體轉(zhuǎn)化為固體聚合物，并且傳播前沿和反應(yīng)的自然對流之間的相互作用導(dǎo)致所得固體聚合物材料中的模式。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的新工作表明，自然對流和鋒面聚合之間的耦合如何導(dǎo)致這些觀察到的模式。

這項(xiàng)研究由一個(gè)獨(dú)特的研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)：材料科學(xué)與工程教授Nancy Sottos，航空航天工程教授Philippe Geubelle和機(jī)械科學(xué)與工程教授Leonardo Chamorro。一篇描述這項(xiàng)研究的論文最近發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。

(資料圖片)

熱固性聚合物和復(fù)合材料用于廣泛的行業(yè)，但生產(chǎn)此類材料需要在高溫下以緩慢且高能量密集的過程固化。正面聚合固化材料是一種有吸引力的替代方法，它明顯更快、更節(jié)能。

在正面聚合中，自繁殖的化學(xué)前沿通過產(chǎn)生大量熱量的反應(yīng)將液體單體轉(zhuǎn)化為固體聚合物。單體是一類簡單的分子“構(gòu)建塊”，可以反應(yīng)形成更大的聚合物分子。制造聚合物所需的所有能量都包含在單體本身中，為了利用這種能量，只需要很小的刺激來啟動(dòng)反應(yīng)。

由于不穩(wěn)定性，這種自我傳播的鋒并不總是均勻移動(dòng)。雖然對于復(fù)合材料制造和3D打印等應(yīng)用來說，前部平穩(wěn)且恒定的速度移動(dòng)是理想的選擇，但Geubelle說：“我們實(shí)際上對這些不穩(wěn)定性非常感興趣，因?yàn)樗鼈冊试S我們在材料中生成圖案。這非常令人興奮，因?yàn)閷τ谀承┎牧?，這些不穩(wěn)定性會導(dǎo)致材料的特性非常不同。

Geubelle解釋說，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是“通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算來理解在單體浴中傳播的前鋒與在其前方發(fā)生的對流之間的相互作用，以及兩者之間的相互作用如何導(dǎo)致材料中的模式。

為了可視化和表征聚合前沿和前方的再循環(huán)，該團(tuán)隊(duì)必須設(shè)計(jì)一個(gè)巧妙的模具，使他們能夠通過頂部和側(cè)面進(jìn)行觀察。他們建造并使用了一個(gè)玻璃模具，可以從頂部觀察正面，并從側(cè)面進(jìn)入激光束。

然后，他們使用粒子圖像測速法(PIV)來表征速度場。為了使用PIV，他們需要用小的“示蹤劑”顆粒播種流體，這些顆粒將跟隨流動(dòng)，并由相機(jī)跟蹤并由激光片照亮，以可視化材料中的圖案。查莫羅說，粒子選擇是這項(xiàng)工作的挑戰(zhàn)之一。該團(tuán)隊(duì)在確定鍍銀玻璃顆粒之前嘗試了各種顆粒。

他們能夠證明，當(dāng)前部傳播并將液體單體轉(zhuǎn)化為固體聚合物時(shí)，釋放的能量會產(chǎn)生對流。對流是通過加熱流體的運(yùn)動(dòng)傳遞熱量的過程。就像海洋中的水一樣，當(dāng)流體被加熱時(shí)，它會膨脹，并且由于浮力的作用，較熱的流體會上升，因?yàn)樗拿芏容^低，而較冷的流體會沉入海底，因?yàn)樗芗＿@個(gè)過程繼續(xù)，產(chǎn)生循環(huán)流。

聚合過程釋放出大量熱量，導(dǎo)致溫度超過 350° F。在轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的熱量會到達(dá)表面的頂部。研究人員表明，這是一個(gè)浮力驅(qū)動(dòng)的過程，與反應(yīng)熱相關(guān)的再循環(huán)以及重力的作用導(dǎo)致材料中觀察到的圖案的形成以及對聚合前沿的影響。由于再循環(huán)，前部傾向于傾斜而不是完全垂直。傾斜的前部會導(dǎo)致不同的速度或冷卻效果，甚至不同的圖案效果。

Sottos說，實(shí)驗(yàn)表明，再循環(huán)不僅在材料內(nèi)部產(chǎn)生影響材料性能的圖案，而且“它還在材料頂部產(chǎn)生表面圖案，因?yàn)閱误w被再循環(huán)流推動(dòng)。

揭示了聚合前沿與誘導(dǎo)自然對流之間相互作用的機(jī)制，以及由此產(chǎn)生的圖案化，代表了對正面聚合的加深理解，可能有助于未來聚合物材料的制造。

這項(xiàng)工作的其他作者包括高袁(貝克曼研究所和航空航天工程博士后);賈斯汀·保羅(貝克曼研究所和材料科學(xué)與工程研究生);陳曼新(貝克曼研究所與航空航天工程學(xué)院本科生);劉紅(機(jī)械科學(xué)與工程研究生)。

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