澳大利亚两所大学发现多功能环氧树脂具有提升复合材料制造能力的潜力

对于复合材料的3D打印和其他制造工艺来说,若想不断扩大制造尺度和规模以适应更大更广泛的应用量,工业界面临的最重要挑战之一就是固化复合材料零部件所需的时间过长。对于如何进行快速固化,工业界已经进行了诸多尝试,添加剂强化的树脂基体研究可能会提供一种有效解决方案。

澳大利亚斯威本科技大学与迪肯大学的研究人员最近发表的一项新的研究成果,重点研究了一种溶剂化离子液体(SIL)的使用。SIL是一种将溶剂与金属盐结合在一起的添加剂,其应用将作为催化剂,加快环氧树脂的固化速度并降低固化温度。根据研究人员发表的论文显示,经过一段时间的研究,其他类型的离子液体也已用作塑料中的添加剂,但是这种SIL则是相对较新的一类离子液体,并且目前仍在研究中。

图1 添加不同剂量的离子液体添加剂后测量得到了反应环氧树脂固化的固化流变曲线。(图片来源:斯威本科技大学)

在这项研究中,研究人员将不同质量分数(从1%到20%)的SIL与硬化剂一起添加到环氧树脂基体中,并加热至固溶点。结果显示,不含任何添加剂的环氧树脂体系在100℃的加热温度下约31分钟内完全固化。而仅添加1%质量分数的SIL添加剂,就可以减少80%的固化时间。加入更多的SIL还可以进一步缩短固化时间(见图1)。这项研究表明,这种增强型环氧树脂具有实现更快、更高产量的3D打印和其他复合材料制造工艺的潜力。

此外,拥有更快的固化时间并不是该研究团队在SIL增强环氧树脂中观察到的唯一性能。该项目负责人,同时也是论文的第一作者,斯威本大学高级研究员Nishar Hameed博士表示,该项目源于其过去10多年来一直从事的研究工作——离子液体与环氧树脂和其他聚合物间的相互作用。在早期的研究中,Hameed与研究团队并没有在减少固化时间方面寻求突破,而是首先发现了离子液体增强剂能够将传统的脆性环氧聚合物改良为柔性和可成型的材料(见图2)。

图2左图显示,施加较小的力可以弯曲和扭转柔性弹性体环氧树脂,在撤去外力后,环氧树脂可恢复原始形状。右图显示,经过改良的柔性热固性环氧树脂断裂伸长率达到了280%(图片来源:斯威本科技大学)

研究人员表示,经过离子液体添加剂改良的环氧树脂,其性能类似于在室温条件下柔性可延展的热塑性塑料,也类似于可拉伸的弹性体。通过实验和理论研究方法的印证,研究人员确定了可逆电荷转移机制,从而使环氧树脂体系变得灵活(见图3)

在这一发现的基础上,Hameed和他在斯威本大学的研究团队与迪肯大学的Luke Henderson博士团队合作,研究了溶剂化离子液体是否能够展现出类似的柔韧性。

图3表示含有不同离子液体浓度的智能多功能延展性热固性塑料,其拉伸机械性能及其在室温下的物理性能表现和行为。其中离子液体浓度为10%时表现为“硬而脆”,30%时表现处优良的柔韧性,在50%时表现出出众的可拉伸和弹性。(图片来源:斯威本大学)

Hameed表示,发现经溶剂化离子液体改良环氧树脂具有快速固化的行为是偶然的。研究人员在早期的试验过程中发现环氧树脂的固化速度比传统情况快得多,远远超出了预期。为了进一步探究这一现象,研究人员使用不同类型离子液体,不同浓度和工艺条件的例子液体,进一步调整环氧树脂的快速固化行为和相关物理性能,探究其机理。

研究结果显示,与不含任何添加剂的环氧树脂相比,新的树脂配方固化速率提高了72倍,甚至在某些组分中,反应非常快,以至于无法对其进行准确测量,在进行任何测试之前固化就已经完成。

值得一提的是,这种方法不仅提高了固化速度,而且还进一步降低了环氧树脂的固化温度,这表明在使用该树脂基体的制造过程中可节省能源。

新树脂未来有望在大批量复合材料制造中取得应用

这种改良型环氧树脂在离开实验室转化应用前,目前仍需要开展其他大量的研究工作,解决与快速材料制造相关的一些困难与基本挑战。例如,在快速固化的复合材料中,环氧树脂交联反应会在几秒钟内伴随着快速加热-冷却循环和成型-脱模过程发生,在这一过程中可能导致内部产生多余应力,形成结构缺陷。

为了解决这些问题,Hameed与团队正在利用实验和计算模型的组合方法,识别和减轻任何可能在环氧树脂固化后结构中出现的缺陷。这项工作对于复合材料结构以及相关制造工艺的完整性和效率至关重要。

未来,Hameed团队认为,在复合材料增材制造中,使用SIL增强的快速固化环氧树脂具有广泛应用潜力。传统环氧基复合材料往往由于材料固化过程缓慢而影响制造效率,而可快速固化的环氧树脂可有效解决这一难题。研究人员正在开发能够通过立体光刻技术实现在几秒钟内结构固化的配方,从而加快了零部件生产速度。

正在评估中的其他复合材料制造工艺包括灌注成形、树脂传递模塑(RTM)和其他形式的自动化制造工艺。同时还针对预浸料体系的开展了定制化的工艺研究,在快速干燥、环氧涂料、表面涂料和施胶等方面也进行了探索。Hameed表示,新树脂体系带来的柔韧性还可以用于热成型,这对于热固性复合材料层压板材来说往往很难实现。

研究人员表示,增材制造技术(包括复合材料自动化制造技术)以及可快速加工的聚合物,预计将称为实现大批量复合材料制造以及复合材料零部件批量生产的未来。快速固化树脂和预浸料对于实现上述技术至关重要,在未来工厂中,为进一步提高生产效率,必须要在几秒钟内将生产材料准备就绪。

目前,这项研究工作正在进行中,斯威本大学未来工厂主要攻关3D打印和快速成型设备的研发,ARC先进材料表面工程中心则聚焦先进表面涂层的研发。

研究人员表示,这项工作可汇集来自不同工业领域的能力和专业知识,最终解决复合材料行业的制造挑战。