Передовые эпоксидные смолы с растворимыми ионными жидкостями для высокоскоростного производства композитов

Проблема времени отверждения

Один из барьеров масштабирования 3D-печати композитов и других процессов — длительное отверждение. Исследование быстрого отверждения с аддитивами-катализаторами может решить эту задачу.

Исследование Swinburne University of Technology (Мельбурн, Австралия) в сотрудничестве с Deakin University (Джилонг) изучило растворимые ионные жидкости (SIL) — добавки, сочетающие растворитель и металлическую соль — как катализаторы для ускорения отверждения эпоксидных смол при более низких температурах. Другие ионные жидкости уже использовались в пластиках, но SIL — относительно новый класс.

Результаты

В эпоксидную матрицу с отвердителем добавляли 1–20% масс. SIL. Без добавок отверждение ~31 мин при 100°C. Добавление всего 1% SIL сократило время на 80%, большие дозы — ещё сильнее (см. рис. 1). Такие смолы перспективны для высокоскоростной 3D-печати и других процессов.

Кроме скорости, обнаружен уникальный эффект: ионные жидкости превращают хрупкие эпоксиды в гибкие, пластичные материалы при комнатной температуре (рис. 2–3). Д-р Нишар Хамид (Swinburne) изучает это >10 лет: реверсивный механизм зарядопереноса делает эпоксидную сеть гибкой — от duteктайлного термопласта до эластомера.

Быстрое отверждение с SIL обнаружено случайно — реакция шла «слишком быстро», 72-кратное ускорение. При некоторых составах отверждение завершалось до начала замеров. Важно: снижается и температура отверждения → экономия энергии.

Перспективы в высокообъёмном производстве

Перед коммерциализацией нужно решить фундаментальные проблемы: при быстром отверждении (секунды) возникают процессные напряжения из-за быстрых циклов нагрев/охлаждение и формовки/снятия. Команда работает над комбинированным экспериментально-вычислительным подходом для выявления и минимизации дефектов — критично для целостности структур.

Д-р Хамид видит потенциал в:

• Композитная аддитивная мануфактура — преодоление медленной обработки материалов. Разработка формулировок, твердеющих за секунды методом стереолитографии.
• Инфузия, RTM, автоматизация, препреги.
• Быстросохнущие эпоксидные краски, покрытия, размеры.
• Термоформование — обычно сложно для термореактивных ламинатов, гибкие смолы это позволяют.

«Аддитивное производство с быстрыми полимерами — будущее высокообъёмного композитного производства и серийного выпуска деталей. Быстроотверждающие смолы и препреги критичны — материалы должны быть готовы за секунды».

Исследования продолжаются в Factory of the Future (Swinburne) и ARC SEAM (продвинутые покрытия).

Полная статья: ACS Applied Polymer Materials, 10 июля 2020 г.