ポリマー先進製造とレオロジー

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プロジェクト／プログラム

ポリマー先端製造とレオロジー

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概要
このプロジェクトは、リサイクル材料から高度な用途に至るまで、ポリマー製造における課題を克服するための測定および特性評価技術を開発します。本プロジェクトは、ポリマーの先端製造を支える重要な国家ニーズを対象とし、プラスチックの再処理と積層造形という2つの主要分野に焦点を当てています。プラスチックの再処理については、半結晶性材料を組成と結晶度の両方で選別・特性評価する技術を開発するとともに、加工中の結晶化を制御し、使用済み廃棄物を信頼性の高い国内原料に変換する戦略を開発します。積層造形については、ポリマーレオロジーと非平衡速度論に関する研究を通じて、技術的障壁を克服し、部品の品質を確保し、商業化を加速するために必要な理解を提供します。この研究は、先端製造と国内サプライチェーンにおける米国のリーダーシップを強化します。

概要

バージン原料からであれ再生原料からであれ、ポリマー材料の製造は、温度と応力場が急速に変化する高度な非平衡条件下で行われます。これらのプロセスから作られる材料の品質は、出発材料の組成だけでなく、プロセス中に生じる変形と構造の複雑な相互作用にも左右されます。本プロジェクトでは、高分子材料のライフサイクル全体にわたる組成と加工における測定課題に対処するために不可欠な計測機器と手法を開発します。ポリオレフィンブレンドのレオロジーと結晶化ポリオレフィン（主にポリエチレンとポリプロピレン）の現在のリサイクルプロセスでは、廃棄物からの汚染を避けることができず、使用済み樹脂に混和しない混合物が形成されてしまいます。これらの意図しない混合物から作られた材料の特性は、プロセス履歴に大きく依存します。これは、温度、流動、組成、形態、結晶化速度論の間の複雑な相互作用によるものです。私たちは、小角および広角X線散乱や偏光光学顕微鏡などのin situ技術を活用し、制御された温度および流動履歴下での形態と結晶化速度論の進化を特徴づけることで、この複雑さに対処します。これらの技術は、ex situ電子顕微鏡法および示差走査熱量測定（DSC）と組み合わせることで、これらの材料におけるプロセス-構造-特性パラダイムをより包括的に理解することを目指しています。

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混合ポリオレフィンの結晶化過程における球晶成長の光学顕微鏡写真

また、社内で開発したハイブリッド特性評価技術を活用し、半結晶性ポリマーおよびポリマーブレンドの熱転移を特性評価しています。レオラマン分光法は、ラマンスペクトルと同時にレオロジー特性を測定することで、化学的に特異的なブレンドの結晶化度を定量化できます。私たちの目標は、これらの測定結果を用いて、リサイクルプラスチックの強度を向上させ、引張応力、圧縮応力、熱特性、ナノ構造などの機械的特性をより深く理解することです。私たちは、組成が結晶化プロセスに強く依存することを観察しました。これは、有限サイズ効果、形態、および部分的な混和性に起因する現象だと考えています。続きを読む。DSC-ラマン分光法は、材料の熱遷移と構造変化または化学変化を相関させます。この手法は、ラマンスペクトルの特徴と、従来は熱量測定で行われていた結晶性や化学変換などの特性との直接的な関係を提供します。

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高密度ポリエチレン SRM1475 の DSC-ラマン測定
クレジット:

Chad Snyder

高度な特性評価のための時間ゲートラマン分光法従来の連続波（CW）ラマン分光法は強力なツールですが、顔料やその他の添加剤を含む材料では強い発光バックグラウンドの影響を受けることがあります。このバックグラウンドはラマン散乱信号を圧倒し、特性評価を不可能にすることがあります。解決策の一つとして、パルスレーザーと時間分解検出器を用いて時間ゲートラマン分光法（TGRS）を行うことが挙げられます。TGRSでは、より低速の発光信号をラマン散乱から分離できます。このプロジェクトでは、TGRS（高エネルギー加速器分光法）を用いて、使用済みプラスチックを含む材料の組成特性を明らかにします。私たちは、市販プラスチックに使用されている可塑剤やその他の添加剤に関するデータベースの開発を通じて、この取り組みを支援しています。また、使用済みプラスチック中の添加剤含有量の定量化の可能性と、インラインTGRSモニタリング機能の開発も進めています。

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回収された着色ポリプロピレン片について、2台の連続波（CW）レーザーとTGRSを用いて測定したラマン強度と波数の関係
クレジット：

アンソニー・コトゥラ

プラスチック選別のための材料特性に基づく戦略　混合プラスチックを選別するための新しい戦略は、メーカーが使用する使用済み樹脂の品質と組成を改善するのに役立ちます。ここでは、化学的には類似しているものの、材料特性が大きく異なる可能性のあるプラスチック（例えば、一般的なポリエチレングレードである高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、線形低密度ポリエチレンなど）を分離するために適用できる技術に焦点を当てます。私たちの取り組みには、摩擦選別：プラスチックの摩擦係数は融点付近（ただし融点未満）で大きく変化するため、ポリオレフィンを選別する潜在的な戦略となります。続きを読む。磁気浮上（Maglev）：磁気浮上は、磁場勾配を使用し、常磁性塩溶液中のプラスチックの質量密度に基づいて高精度でプラスチックを選別します。私たちの取り組みには、使用済みプラスチックの磁気特性を評価して分離可能性を評価することと、連続選別の戦略を開発することが含まれます。材料押し出し積層造形の基礎材料押し出し（MatEx）として知られる一般的な熱可塑性積層造形プロセスでは、固体ポリマーフィラメントが溶融され、ラスタノズルから押し出され、隣接する層に溶接されて固化します。私たちは、アモルファスおよび半結晶性の原料の両方に対してこの3D印刷プロセスの根底にある物理的プロセスを測定および理解するためのフレームワークを開発しています。我々のフレームワークは、相互に関連する3つの要素を中心としています。1) レオロジーと結晶化を支配する材料特性の時間スケールの特性評価、2) MatEx中の温度（赤外線サーモグラフィー）、応力（複屈折イメージング）、結晶化度（ラマン分光法またはX線散乱法）のin situ測定、3) MatEx処理時間スケールと材料時間スケールの競合から生じる構造および機械的特性の定量化です。我々は、実験測定結果をMatExプロセスの分子動力学および連続体レベルシミュレーションと比較することで、既存モデルの妥当性、信頼性、および堅牢性を評価します。

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材料押出印刷されたポリ乳酸部品の明視野、位相差、配向マップ
クレジット：

アンソニー・コトゥラ

主な業績

2025年ポリ乳酸の材料押出における複屈折への残留配向と熱応力の寄与の定量化（Additive Manufacturing）液状封止材の硬化速度論の高度な特性評価（IEEE ECTC）先端半導体パッケージングにおける材料ニーズと測定課題：科学のソフト面の理解（IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology）アメリカ中西部における農業プラスチック廃棄物の調査：利用と処分（外部リンク）（Waste Management）材料のための計算計測学（外部リンク）（Journal of Materials Research） 2024年動摩擦の温度依存性：プラスチック選別のための指標となるか？ (高分子工学と科学)高密度ポリエチレン/アイソタクチックポリプロピレンブレンドにおける流動誘起結晶化の組成依存性 (高分子)レオロジー特性を用いたエポキシ樹脂の転化予測モデルの評価 (ACS Applied Polymer Materials)ポリエチレン鎖に沿った選択的重水素化：セグメントごとの立体配座の違いの測定 (高分子)動的共有結合ポリマーネットワークのテンパリングによる多能性材料へのアクセス (科学)相分離動的共有結合ネットワークにおける分子交換ダイナミクスと応力緩和の関連 (ACS Macro Letters)溶融フィラメント製造におけるパラメータ発見のためのオンライン測定 (Integrating Materials and Manufacturing Innovation)強く相互作用するフェライトナノオブジェクトの合成とサイズ依存性：磁性粒子イメージングと空間分解温度測定への影響 (Chemistry of Materials)2023熱可塑性材料押出におけるダイスウェルの特性評価 (Additive製造)レオロジーと硬化速度論の同時性により、材料押し出し用の熱硬化性複合樹脂の熱後硬化が決定されます (付加製造)アミン硬化エポキシ/エポキシ熱硬化性樹脂の反応誘起相分離 (RIPS)。2.蛍光寿命イメージング顕微鏡（FLIM）を用いた不均一性の可視化（ポリマー）口腔上皮バリア機能の機械的制御（バイオエンジニアリング）結晶性1-エチル-3-メチルイミダゾリウムアセテートに対する微量水の影響（Journal of Physical Chemistry B）レオロジーと硬化速度論の同時解析が、材料押出成形用熱硬化性複合樹脂の熱後硬化を決定づける（Additive Manufacturing）相分離動的共有結合ネットワークにおける分子交換ダイナミクスと応力緩和の関連づけ（ACS Macro Letters）材料押出成形における定常溶融（Rapid Prototyping Journal）2022埋め込み型3Dプリンティングにおけるフィラメント欠陥の抑制（ACS Applied Mater Interfaces）埋め込み型3Dバイオプリンティングにおけるシミュレーションによる応力緩和戦略（Physics of Fluids）数値解析による引裂試験溶融フィラメント製造による単一溶接部熱可塑性材料の押出成形におけるダイスウェルの特性評価（積層造形）調整可能なハイドロキシアパタイトを用いた3Dプリント足場のエンジニアリング（Journal of Functional Biomaterials）ポリマーのマスバランス計算方法の評価ワークショップレポート非混和性ポリオレフィンブレンドの結晶化速度論（Macromolecules）回収プラスチックの時間ゲートラマン分光法（Marine Pollution Bulletin）2021AMB2018-03：ポリカーボネートの材料押出積層造形におけるベンチマーク物性測定（Integrating Materials and Manufacturing Innovation）溶融フィラメント製造によって作製された試験片の有効ヤング率の推定（積層造形）3Dプリント熱可塑性材料における分子スケールアライメントのプローブとしての偏光ラマン分光法と複屈折の比較（MRS Communications）製造骨再生のための3Dプリントハイドロキシアパタイト複合スキャフォールドの研究 (生物医学材料)埋め込み3Dプリントにおけるフィラメント形状のシミュレーション (ソフトマター)生分解性ポリマースキャフォールドの溶媒キャスト3Dプリント (高分子材料と工学)2020結晶化ポリマーのレオロジーのための周波数依存有効媒質モデル (Journal of Rheology)材料押し出し積層造形における供給速度が温度プロファイルと供給力に与える影響 (積層造形)熱可塑性材料押し出しベースの積層造形における供給速度の上限 (積層造形)LEDアレイ用3Dプリント光集光器 (OSA Continuum)結晶化のレオロジーにおけるパーコレーションの影響 (ポリマー結晶化)溶融フィラメント造形法で作製したポリカーボネートサンプルの加工・構造・特性の関係 (積層造形)大面積の圧縮変形解析ペレット供給材料押し出し 3D プリント部品とその場熱画像化の関係 (Additive Manufacturing)、LLDPE の結晶化のレオロジー (Journal of Rheology)、ボクセルスケール変換マッピングによるステレオリソグラフィ Additive Manufacturing の固有解像度の通知 (ACS Applied Polymer Materials)、有効温度モデルのガラス状ポリマーの大ひずみ硬化挙動への拡張 (Journal of the Mechanics and Physics of Solids)、2019 書籍: ポリマーベースの Additive Manufacturing: Recent Developments。 ACS シンポジウムシリーズ #1315 NIST 執筆の章を含む: ポリマー付加製造: 複雑性への対応 (第 1 章)、熱溶解積層法における結晶形態の測定と予測 (第 6 章)、結晶化ポリマーのレオロジー: 球晶構造、ギャップ高さ、核形成密度の役割 (Journal of Rheology)、せん断駆動による強く閉じ込められた液滴単分子層における自発的鎖形成とそれに続く微細構造進化のメカニズム (Soft Matter)、ポリホモロゲーションによる精密で調整可能な重水素化ポリエチレン (Journal of the American Chemical Society)、2018 AM-Bench 測定、課題、モデリング提出、会議の結果と結論 (Integrating Materials and Manufacturing Innovation)、AMB2018-04: ベンチマーク物理ポリアミド12の粉末床溶融積層造形における特性測定 (Integrating Materials and Manufacturing Innovation)2018材料押出積層造形中の結晶化速度に対する処理条件の影響 (Polymer)レオラマン法によるポリカプロラクトンの結晶化速度に対するセルロースナノ結晶の影響 (Polymer)2017材料押出積層造形中の溶接形成 (Soft Matter)レオロジーとラマン分光法の同時測定によるポリカプロラクトン結晶化モデルの評価 (Journal of Rheology)ラマン分光法によるポリカプロラクトンの配座秩序と結晶性の決定 (Polymer)ポリマー押出AMによって生成された溶接部の機械的強度 (link is external) (Additive Manufacturing)ポリエチレンの複数の融解ピークのラマン識別 (Macromolecules)2016ポリマー押出積層造形によって生成された溶接部の赤外線サーモグラフィー製造（積層造形）レオラマン顕微鏡：ソフトマテリアルの化学的、立体構造的、機械的、および微細構造的同時測定（Review of Scientific Instruments）移動窓型二次元相関分光法によるn-アルカン融解の相特異的ラマン分析（Journal of Raman Spectroscopy）スケーラブルなフローコーティングによる軽量・柔軟・高性能カーボンナノチューブケーブル（Applied Materials and Interfaces）2014-15年ポリエチレンの初期結晶化におけるトランスリッチ構造（高分子）加工された多層カーボンナノチューブポリマー複合材料における三次元クラスター分布（ポリマー）

バイオサイエンス、バイオマニュファクチャリング、化学工学およびプロセス、分子特性評価、製造、積層造形、プロセス計測および制御、材料特性評価、ポリマー、ナノマテリアルおよび分光法

組織

NIST本部　研究所プログラム　材料測定研究所　材料科学エンジニアリング部門ポリマー加工グループ

NIST職員

アンソニー・コトゥラ

カルマン・ミグラー

チャド・R・スナイダー

ジョナサン・セッパラ

エドゥアルド・デ・リマ・コレア

マッケンジー・コフリン

ナオミ・デネケ

ジュリー・リーランド

ポール・ロバーツ

マウロ・ムグナイ

ユンテ・キム

ミカイラ・カーティス

元職員

オースティン・コロン、リアン・フリードリッヒ、ノーラ・M・ハッサン、デレク・フアン、クリストファー・ロング、スティアン・ロンバーグ、デブジャニ・ロイ、夏季学部生研究フェローシップ（SURF）：オーブリー・オーガスティン、ケイトリン・エドガー、タイラ・エペダル、ケイトリン・E・ヒルガートナー、ヌエル・ジョンソン、デビッド・レック、エリアナ・サボ、MCインターン：セレステ・コペイ、スン・フーン・ハン、リリー・A・ノースカット、ジョシュア・トーマス、NSFインターン： Ojaswi Agarwal、Zheliang Wang　夏季高校インターンシッププログラム（SHIP）：Kellie Rose

連絡先

Anthony Kotula

anthony.kotula@nist.gov

(301) 975-5336

プロジェクトの状況

進行中