UV-licht en zwaartekracht sturen de vorming van polymeervezels

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben onderzocht hoe een vloeibare hars onder invloed van zwaartekracht uitrekt en met uv-licht gecontroleerd stolt. Met experimenten en een natuurkundig model brengen zij in kaart hoe de lichtintensiteit, vloeistofdynamica en polymerisatiereactie samen de vorming van dunne vezels bepalen. De resultaten kunnen bijdragen aan een betere procesbeheersing bij de verwerking van polymeren.

ook voor processen waarbij dunne vezels uit een vloeistof worden gevormd. De uiteindelijke diameter, vorm en stabiliteit hangen af van verschillende factoren, waaronder de stroming, de oppervlaktespanning en het moment waarop het materiaal voldoende is uitgehard.

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een experimentele opstelling ontwikkeld om die processen in samenhang te bestuderen. Ze gebruiken een uv-gevoelige vloeibare hars die na het verlaten van een spuitmond onder invloed van de zwaartekracht wordt uitgerekt. Vervolgens belichten ze de vloeistof met ultraviolet licht, dat de polymerisatiereactie activeert.

Het onderzoek van Jan Siemen Smink en zijn collega’s is gepubliceerd in Physical Review Letters onder de titel Fast Solidification of a Gravity-Stretched Liquid Jet.

Vloeibare hars rekt uit voordat deze stolt

In de proefopstelling verlaat de vloeibare hars een kleine spuitmond en vormt deze een neerwaartse straal. De zwaartekracht rekt de straal uit, waardoor de diameter afneemt. Op korte afstand van de uitgang wordt de vloeistof met uv-leds belicht. De hars polymeriseert en vormt een vaste vezel.

Door de lichtintensiteit te variëren, kunnen de onderzoekers beïnvloeden hoe snel de reactie verloopt en waar de stolling plaatsvindt. Daarmee ontstaat een gecontroleerde opstelling om de overgang van vloeistof naar vast polymeer te bestuderen.

Vier factoren beïnvloeden de vezeldiameter

De vorming van de vezel wordt niet alleen bepaald door de polymerisatiereactie. Ook de vloeistofdynamica speelt een belangrijke rol. De onderzoekers bestuderen daarom de wisselwerking tussen vier factoren:

• Zwaartekracht: rekt de vloeistofstraal uit en verkleint de diameter.
• Traagheid: beïnvloedt de beweging van de vloeistof en de verandering van de stroming.
• Capillaire krachten: komen voort uit de oppervlaktespanning en kunnen de straal instabiel maken.
• Stollingskinetiek: bepaalt hoe snel de hars na belichting polymeriseert en voldoende stevigheid ontwikkelt.

Deze processen beïnvloeden elkaar. Terwijl de vloeistof verder wordt uitgerekt, verandert de geometrie van de straal en verloopt de polymerisatiereactie. De uiteindelijke vezeldiameter en de positie waar het materiaal stolt, zijn daardoor niet eenvoudig uit één afzonderlijke procesparameter af te leiden.

Met experimenten en een natuurkundig model brengen de onderzoekers de onderlinge verbanden in kaart. Daarmee willen ze beter voorspellen onder welke omstandigheden een doorlopende vezel ontstaat en wanneer de vloeistofstraal instabiel wordt en uiteenvalt in druppels.

Belichting bepaalt het moment van stollen

De uv-belichting is een belangrijke regelparameter. De lichtintensiteit beïnvloedt de reactiesnelheid en daarmee de tijd die nodig is om de hars voldoende te laten uitharden. Tijdens die reactietijd blijft de vloeistof bewegen en uitrekken. De afstand waarover de straal vloeibaar blijft, hangt dus samen met zowel de stroming als de snelheid van de polymerisatie.

De onderzoekers laten daarnaast zien dat het onderbreken van de uv-belichting mogelijkheden biedt om korte vezels te vormen in plaats van één doorlopende vezel. De belichtingsduur en de beweging van de vloeistof bepalen mede de uiteindelijke vorm.

Betekenis voor kunststofverwerking

De studie richt zich op fundamentele natuurkunde en is geen demonstratie van een industrieel productieproces. De gebruikte hars en uv-belichting vormen een experimenteel systeem waarmee de onderzoekers de interactie tussen stroming en snelle polymerisatie analyseren.

De opgedane kennis kan op termijn relevant zijn voor technieken waarbij polymeren tot dunne structuren worden gevormd en vervolgens worden uitgehard. Denk aan bepaalde vezelproductieprocessen, fotopolymerisatie en de vervaardiging van functionele polymeerstructuren.

Voor toepassing in de kunststofindustrie is verdere vertaling naar specifieke materialen en productieomstandigheden nodig. Daarbij spelen onder meer de viscositeit van de polymeersamenstelling, de lichtgevoeligheid, de warmteontwikkeling en de gewenste productiesnelheid een rol.

De belangrijkste bijdrage van het onderzoek is dat het de relatie tussen vloeistofstroming en snelle stolling beter beschrijft. Dat vormt een basis voor vervolgonderzoek naar de beheersing van vezelvorming en andere processen waarbij een vloeibaar polymeer tijdens het vervormen overgaat in een vaste structuur.