J J Murphy: Kerala’s Rubber Man

Airplane wings, wind turbine blades, and other large parts are typically created using bulk polymerization in composite manufacturing facilities. They are heated and cured in enormous autoclaves and heated molds as big as the finished part. Frontal polymerization is a new out-of-autoclave method for composite manufacturing that doesn't require a large facility investment. Researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign conducted a study pitting one process against the other to discover the pros and cons of each. "Frontal polymerization doesn't use an autoclave at all, so it doesn't require that huge upfront investment," said Bliss Professor Philippe Geubelle in the Department of Aerospace Engineering at the U of I. "It's a chemical reaction sustained by the release of heat as the front propagates. It can save a lot of energy and it generates much less carbon dioxide, so that's an environmental benefit." Geubelle said they began comparing the two methods by looking at the thermo-chemical equations in order to model the two polymerization processes. In that way, they could compare the methods for a variety of composite materials, and particularly, the time duration each method takes to manufacture the same part. "The key contribution from the theoretical point of view is we've rewritten the reaction-diffusion equations to extract the two most important nondimensional parameters," Geubelle said. "Using just these two parameters allowed us to look at a wide range of chemical parameters, such as the activation energy and the heat of reaction, and at the impact of the initial temperature of the resin." Geubelle said this method helped to compare the composite manufacturing processes based on bulk and frontal polymerization in terms of the time it takes to manufacture a part. The study found that there were instances when one or the other was faster. "Imagine you want to make something that is one meter long. Frontal polymerization will be able to do complete the task before bulk polymerization starts to kick in," Geubelle said. "On the other hand, if you want to make something that is 10 meters long, then bulk polymerization may actually take place before the front reaches the other end of the part. It's the competition between these two processes that we analyzed in this study." He went on to say there are several ways to speed up the process for frontal polymerization: start the front at both ends so it goes twice as fast, or heat it from the bottom by using a heated panel beneath it. "That process is so fast, we refer to it as flash curing," Geubelle said, "but it does use more energy than for a single front." Manufacturing composite parts using frontal polymerization instead of bulk polymerization has a lot of advantages. "With frontal polymerization, you don't need the large capital investment of the autoclave, making it a very attractive option," Geubelle said. "The time it takes to cure a composite part is also much shorter and the environmental impact is substantially reduced." The study, "Frontal vs. bulk polymerization of fiber-reinforced polymer-matrix composites," was written by S. Vyas, X. Zhang, E. Goli, and P. H. Geubelle. It is published in Composites Science and Technology. விமான இறக்கைகள், விண்ட் டர்பைன் கத்திகள் மற்றும் பிற பெரிய பாகங்கள் பொதுவாக கூட்டு உற்பத்தி வசதிகளில் மொத்த பாலிமரைசேஷனைப் பயன்படுத்தி உருவாக்கப்படுகின்றன. அவை பிரம்மாண்டமான ஆட்டோகிளேவ்களிலும், முடிக்கப்பட்ட பகுதியைப் போல பெரிய சூடான அச்சுகளிலும் சூடாகவும் குணப்படுத்தப்படுகின்றன. ஃப்ரண்டல் பாலிமரைசேஷன் என்பது ஒரு பெரிய வசதி முதலீடு தேவையில்லை என்று கலப்பு உற்பத்திக்கான புதிய ஆட்டோகிளேவ் முறையாகும். அர்பானா-சாம்பேனில் உள்ள இல்லினாய்ஸ் பல்கலைக்கழக ஆராய்ச்சியாளர்கள் ஒவ்வொன்றின் நன்மை தீமைகளைக் கண்டறிய ஒரு செயல்முறையை மற்றொன்றுக்கு எதிராகத் தூண்டினர். "ஃப்ரண்டல் பாலிமரைசேஷன் ஒரு ஆட்டோகிளேவைப் பயன்படுத்துவதில்லை, எனவே அதற்கு பெரிய வெளிப்படையான முதலீடு தேவையில்லை" என்று U இன் I இன் விண்வெளி பொறியியல் துறையில் பேரின்ப பேராசிரியர் பிலிப் கியூபெல் கூறினார். "இது வெளியீட்டில் நீடித்த ஒரு வேதியியல் எதிர்வினை முன் பரப்புவதால் வெப்பம். இது நிறைய ஆற்றலைச் சேமிக்க முடியும், மேலும் இது மிகக் குறைந்த கார்பன் டை ஆக்சைடை உருவாக்குகிறது, எனவே இது சுற்றுச்சூழல் நன்மை. " இரண்டு பாலிமரைசேஷன் செயல்முறைகளை மாதிரியாக மாற்றுவதற்காக தெர்மோ-கெமிக்கல் சமன்பாடுகளைப் பார்த்து இரண்டு முறைகளையும் ஒப்பிடத் தொடங்கியதாக ஜியூபெல் கூறினார். அந்த வகையில், அவர்கள் பலவிதமான கலப்பு பொருட்களுக்கான முறைகளை ஒப்பிடலாம், குறிப்பாக, ஒவ்வொரு முறையும் ஒரே பகுதியை உற்பத்தி செய்ய எடுக்கும் கால அளவு. "தத்துவார்த்த கண்ணோட்டத்தின் முக்கிய பங்களிப்பு, மிக முக்கியமான இரண்டு பரிமாண அளவுருக்களைப் பிரித்தெடுப்பதற்காக எதிர்வினை-பரவல் சமன்பாடுகளை மீண்டும் எழுதியுள்ளோம்," என்று ஜியூபெல் கூறினார். "இந்த இரண்டு அளவுருக்களைப் பயன்படுத்துவதால், செயல்படுத்தும் ஆற்றல் மற்றும் எதிர்வினையின் வெப்பம் மற்றும் பிசினின் ஆரம்ப வெப்பநிலையின் தாக்கம் போன்ற பலவிதமான வேதியியல் அளவுருக்களைப் பார்க்க எங்களுக்கு அனுமதி கிடைத்தது." ஒரு பகுதி உற்பத்தி செய்ய எடுக்கும் நேரத்தின் அடிப்படையில் மொத்த மற்றும் முன்னணி பாலிமரைசேஷனை அடிப்படையாகக் கொண்ட கலப்பு உற்பத்தி செயல்முறைகளை ஒப்பிடுவதற்கு இந்த முறை உதவியது என்று ஜியூபெல் கூறினார். ஒன்று அல்லது மற்றொன்று வேகமாக இருக்கும் நிகழ்வுகள் இருப்பதாக ஆய்வில் கண்டறியப்பட்டுள்ளது. "நீங்கள் ஒரு மீட்டர் நீளமுள்ள ஒன்றை உருவாக்க விரும்புகிறீர்கள் என்று கற்பனை செய்து பாருங்கள். மொத்த பாலிமரைசேஷன் உதைக்கத் தொடங்குவதற்கு முன், முன் பாலிமரைசேஷன் பணியை முடிக்க முடியும்" என்று ஜியூபெல் கூறினார். "மறுபுறம், நீங்கள் 10 மீட்டர் நீளமுள்ள ஒன்றை உருவாக்க விரும்பினால், முன் பகுதியின் மறுமுனையை அடைவதற்கு முன்பு மொத்த பாலிமரைசேஷன் நடக்கக்கூடும். இந்த ஆய்வில் நாங்கள் பகுப்பாய்வு செய்த இந்த இரண்டு செயல்முறைகளுக்கும் இடையிலான போட்டி இது. " ஃப்ரண்டல் பாலிமரைசேஷனுக்கான செயல்முறையை விரைவுபடுத்துவதற்கு பல வழிகள் உள்ளன என்று அவர் தொடர்ந்து கூறினார்: இரு முனைகளிலும் முன்பக்கத்தைத் தொடங்குங்கள், அதனால் அது இரு மடங்கு வேகமாகச் செல்லும், அல்லது கீழே இருந்து ஒரு சூடான பேனலைப் பயன்படுத்தி அதை கீழே இருந்து சூடாக்கவும். "அந்த செயல்முறை மிகவும் விரைவானது, நாங்கள் அதை ஃபிளாஷ் குணப்படுத்துதல் என்று குறிப்பிடுகிறோம்," என்று ஜியூபெல் கூறினார், "ஆனால் இது ஒரு முன் பகுதியை விட அதிக சக்தியைப் பயன்படுத்துகிறது." மொத்த பாலிமரைசேஷனுக்கு பதிலாக ஃப்ரண்டல் பாலிமரைசேஷனைப் பயன்படுத்தி கலப்பு பாகங்களை உற்பத்தி செய்வது நிறைய நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளது. "ஃப்ரண்டல் பாலிமரைசேஷன் மூலம், ஆட்டோகிளேவின் பெரிய மூலதன முதலீடு உங்களுக்குத் தேவையில்லை, இது மிகவும் கவர்ச்சிகரமான விருப்பமாக அமைகிறது" என்று ஜியூபெல் கூறினார். "ஒரு கூட்டு பகுதியை குணப்படுத்த எடுக்கும் நேரமும் மிகக் குறைவு மற்றும் சுற்றுச்சூழல் பாதிப்பு கணிசமாகக் குறைக்கப்படுகிறது." "ஃபைபர்-வலுவூட்டப்பட்ட பாலிமர்-மேட்ரிக்ஸ் கலவைகளின் ஃப்ரண்டல் வெர்சஸ் மொத்த பாலிமரைசேஷன்" என்ற ஆய்வு எஸ். வியாஸ், எக்ஸ். ஜாங், ஈ.கோலி மற்றும் பி. எச். ஜியூபெல் ஆகியோரால் எழுதப்பட்டது. இது கலவை அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்பத்தில் வெளியிடப்பட்டுள்ளது.