Kurşun geçirmez plastik mi? Çelikle karşılaştırılabilir yeni malzeme sonunda ufukta

Ancak mermileri durdurabilen, aşınmış kalça eklemlerini yenileyebilen ve çelik kablolardan daha güçlü halatlar oluşturabilen özel bir plastik türü var.

Sorun ne mi? Şekil vermek ve kalıba dökmek inanılmaz derecede zordu – şimdiye kadar.

Oxford Üniversitesi’ndeki bilim insanları, ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMWPE) adı verilen bu süper güçlü plastik malzemeyi işlemek için yeni yöntemler geliştirdi. Onların Industrial Chemistry & Materials dergisinde yayınlanan buluşu, daha iyi kurşun geçirmez yelekler, daha dayanıklı medikal implantlar ve daha güçlü endüstriyel ekipmanlar üretmeye yol açabilir.

UHMWPE, plastiklerin ağır sıklet şampiyonudur. Bu plastiği özel yapan şey nedir? Bir spagetti kasesini hayal edin, fakat her bir makarna milyonlarca kat daha uzundur. Bu, plastiğin moleküllerinin nasıl yapılandığını anlatır: Son derece uzun zincirler birbirine dolanarak bu malzemenin inanılmaz güçlü olmasını sağlar. Ancak bu uzun zincirler, aynı zamanda plastiğin eritilip şekillendirilmesini neredeyse imkânsız hale getirir. Isıtıldığında, bu plastik o kadar yavaş akar ki bilim insanları bunu bir huni içinden yıllar süren damlamalarla tanınan zift maddesiyle karşılaştırır.

Oxford Üniversitesi Kimya Profesörü Dermot O’Hare ;“UHMWPE, moleküler ağırlığı milyonlarca Dalton olan ve bu büyük boyutun karmaşık doğasını gösteren bir polietilen türüdür. Özellikleri nedeniyle mühendislik plastiği olarak kabul edilir ve önemli bir malzeme olarak görülür,” diyor.

Oxford ekibi, O’Hare’in “bu yüksek performanslı polimerin uygulamalarındaki başlıca sınırlayıcı faktör” olarak adlandırdığı zorluğu çözmek için dört farklı yaklaşım geliştirdi. Her yaklaşım, malzemeyi daha kullanışlı hale getirirken olağanüstü dayanıklılığını korumayı amaçladı.

1. İlk yöntem, plastik moleküllerinin oluşumu ve birbirine dolanma biçimini kontrol etmek oldu. Bu teknik, makarnaların kaynar suya dikkatlice eklenerek topaklanmasının önlenmesine benzetilebilir. Bu yöntem üretim sırasında moleküllerin nasıl dolandığını kontrol etme konusunda umut verici olsa da araştırmacılar kritik bir sınıra ulaştıklarını keşfetti: Yüzeydeki aktif bölgelerin konsantrasyonu belirli bir seviyenin altına düştüğünde, daha fazla iyileştirme mümkün olmuyordu.
2. İkinci stratejik yöntem, zincir transfer ajanları kullanmaktı. Bu ajanlar, molekülleri "kimyasal makaslar" gibi kesen moleküler düzenleyiciler olarak hareket etti. Araştırmacılar, hidrojeni zincir transfer ajanı olarak kullandıklarında, standart üretim yöntemlerine kıyasla moleküler ağırlığı %96 oranında azaltmayı başardılar. Bu, malzemeyi daha kolay işlenebilir hale getirirken faydalı özelliklerini korumasını sağladı.
3. Üçüncü yöntem, birden fazla katalizör türünü aynı anda kullanarak farklı uzunluklardaki zincirlerin karışımını oluşturmayı içeriyordu. Bu yaklaşım, bir tarifte doğru kıvamı yakalamak için farklı malzemeleri birleştirmeye benzetilebilir. Yenilikçi bu yöntem, işlenebilirlik ve dayanıklılığı birleştiren malzemeler üretti ve moleküler ağırlık dağılımı üzerinde neredeyse sınırsız kontrol sağladı.
4. Son olarak, süper güçlü plastiklerini daha yaygın plastik türleriyle karıştırmayı denediler. Araştırmacılar, UHMWPE’yi yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE; süt kaplarında kullanılan tür) ile karıştırmanın işe yaradığını, ancak düşük yoğunluklu polietilen (LDPE; plastik poşetlerde kullanılan tür) ile karıştırmanın işe yaramadığını keşfettiler. Bu iki malzeme, yağ ve su gibi düzgün bir şekilde birleşmiyordu.

O’Hare, “Bu yaklaşımlar ve bunların kombinasyonları, UHMWPE’nin kullanım alanını genişletmek için kritik öneme sahiptir,” diye vurguluyor. Ekip, bir sonraki adımlarında farklı işleme tekniklerini birleştirerek, yenilikçi özelliklere sahip malzemeler geliştirme potansiyelini araştırmayı hedefliyor.

Yöntemler:

Araştırmacılar, UHMWPE’nin nasıl sentezlendiğini ve işlendiğini kontrol etmek için çeşitli kimyasal teknikler kullandılar. Laboratuvar koşullarında küçük partiler üzerinde çalışarak özel katalizörler ve farklı kimyasal ajanlar eklediler. Moleküler yapıyı kontrol etmek, zincir uzunluğunu düzenlemek ve diğer plastiklerle karışımlar oluşturmak dahil birçok yaklaşımı test ettiler.

Sonuçların Özeti:

• %96'ya kadar moleküler ağırlık azalması sağlandı (hidrojen zincir transfer ajanı kullanılarak).
• İşlenebilirliği iyileştiren çift modlu malzemeler üretildi.
• HDPE/UHMWPE karışımları, mekanik özelliklerde %103'e varan artış gösterdi.

Sınırlamalar:

• Çalışma, laboratuvar ölçeğinde yapıldı. Sanayi ölçeğinde üretime geçmek, ek zorluklar doğurabilir.
• Bazı yaklaşımlar, işlenebilirlik ve dayanıklılık arasında taviz verilmesine neden oldu.
• Değiştirilen malzemelerin uzun vadeli dayanıklılığı ve performansı henüz kapsamlı bir şekilde test edilmedi.

Tartışma ve Çıkarımlar:

Bu araştırma, UHMWPE işleme süreçlerini iyileştirmek için birden fazla uygulanabilir yaklaşım sunuyor. Her yöntemin farklı avantajları var ve bu çalışmalar, yüksek performanslı plastikler için daha iyi üretim süreçlerinin geliştirilmesinin temelini oluşturuyor. Bu, birçok endüstride daha iyi ürünlere yol açabilir.

Finansman ve Açıklamalar:

Araştırma, SCG Chemicals PLC ve Engineering and Physical Sciences Research Council Impact Acceleration Account tarafından desteklendi. Yazarlar, SENFI UK Ltd. ve SCG Chemicals PLC gibi çeşitli kurumlarla iş birliği yaptı.

Kaynak : StudyFinds – Dermot O’Hare , University of Oxford. 17 Aralık 2024