Raadselachtige plastic-kronkels opgehelderd
Plastic laat zich uitstekend door kleine gaatjes tot mooie slierten persen, maar als je het te hard doet, ontstaan er steeds ergere ribbels, tot de sliert breekt. Onvermijdelijk, ontdekten Leidse en Parijse natuurkundigen.Dat hij een groot probleem in de plastic-industrie had aangeroerd, merkte theoretisch natuurkundige prof.dr. Wim van Saarloos aan het aantal hits dat zijn website plotseling kreeg. Talloze plasticmensen raadpleegden het artikel van hem en collega's over het de ribbels in "geëxtrudeerd" plastic: gesmolten plastic dat onder druk door een mal naar buiten wordt geperst, als hobbylijm uit een flesje.
Extrusie is één van de meest gebruikte methodes om allerlei plastics in de goede vorm te krijgen, van dunne vezel tot overheadsheet, maar er zit één nadeel aan. Als je te hard spuit, verschijnen er bobbels. Bij hogere drukken worden die steeds heftiger, tot het plastic spontaan breekt. Smeltbreuk heet dat, en het betekent een beperking aan de verwerkingssnelheid. "Dit probleem wordt al dertig jaar onderzocht", zegt Van Saarloos, "als je het oplost ben je beroemd."
De Leidse theoretisch natuurkundigen deden een goede poging met hun eigen arsenaal: formules. Uit een mix van vergelijkingen voor stromingsgedrag en spanningen in het plastic wisten ze het effect te berekenen van een kleine verstoring in de vloeistofstroming -zeg een klein braampje in de mal.
Als de storing maar klein genoeg is, verdwijnt hij weer, zeiden de formules, maar dat was al langer bekend. Saarloos en collega's wisten ook af te leiden dat boven een bepaalde stroomsnelheid sommige storingen niet meer uitdoven. Storingen boven een bepaalde kritische grootte versterkten zichzelf. Ofwel: de vloeistofstroom is niet stabiel.
En hoe sneller de plasticstroom, hoe kleiner die kritische storing.
"Ons werk betekent dat smeltbreuk inherent is. Uiteindelijk treedt het altijd op", zegt Saarloos. Het probleem smeltbreuk is dus verre van opgelost, maar met het Leids-Parijse model kun je wel afleiden hoe je het in ieder geval uit kunt stellen. Bijvoorbeeld door door de mal te laten trillen, suggereert Saarloos, "dat soort maatregelen zouden wel wat kunnen schelen. Er wordt per jaar ruim honderd miljoen ton plastic geëxtrudeerd. Een kleine winst tikt dan al behoorlijk aan."
Bruno van WayenburgBernard Meulenbroek e.a.: Intrinsic Route to Melt Fracture in Polymer Extrusion: A Weakly Nonlinear Subcritical Instability of Viscoelastic Poiseuille Flow Physical Review Letters, 17 januari 2003.
The article above appeared in "Mare" of January 30. Mare is the bulletin of Universiteite Leiden.
[Pattern formation] [Wim van Saarloos] [Instituut-Lorentz]