多功能环氧树脂配方显示出未来复合材料制造的潜力

斯威本科技大学高级研究员 Nishar Hameed 博士在斯威本未来工厂手持 3D 打印屏幕原型。图片来源：斯威本科技大学

复合材料 3D 打印和其他制造工艺要继续扩大到大批量应用的挑战之一是固化复合材料部件所需的时间。研究一种快速固化、添加剂增强的树脂基体体系可能会提供一种解决方案。

斯威本科技大学（澳大利亚墨尔本）的研究人员与迪肯大学（澳大利亚吉朗）的研究人员最近发表的一项研究着眼于使用溶剂化物离子液体 (SIL)——一种将溶剂与金属盐结合的添加剂——作为一种催化剂，可加快环氧树脂的固化时间和降低固化温度。根据该论文，其他类型的离子液体作为塑料添加剂使用已有一段时间，但SILs是这些液体中相对较新的一类，仍在研究中。

图 1. 使用各种离子液体添加剂负载量的环氧树脂固化的固化流变特性。 (Nishar Hameed et al., ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 2651−2657) 版权所有 2020，美国化学学会。

在这项研究中，研究人员将不同重量（从 1% 到 20%）的 SIL 与硬化剂一起添加到环氧树脂基质中并加热至熔点。该论文报告说，不含添加剂的环氧树脂体系在 100°C 下固化约 31 分钟；仅添加 1% 重量的 SIL 添加剂可使固化时间缩短 80%，而 SIL 用量越大，固化时间越短（见图 1）。根据研究，这种类型的增强型环氧树脂显示出实现更快、更大批量 3D 打印和其他复合材料制造工艺的潜力。

此外，更快的固化时间并不是研究团队在 SIL 增强型环氧树脂中观察到的唯一特性。据 Swinburne 的高级研究员 Nishar Hameed 博士说，他是该项目的负责人，也是该论文的作者，该项目源于他 10 多年来一直从事的研究，研究离子液体与环氧树脂的相互作用和其他聚合物。在最初的研究中，Hameed 和他的团队根本没有寻求快速固化时间，但发现离子液体增强将传统上易碎的环氧树脂聚合物转变为柔韧且可成型的材料（见图 2）。

“我们发现环氧树脂可以表现得像室温、柔韧、可延展的热塑性塑料，也像可拉伸的弹性体，”哈米德说。 “使用实验和理论方法，我们确定了可逆电荷转移机制，使环氧树脂网络变得灵活。” （见图3。）

基于这一发现，Hameed 和他在斯威本的团队与迪肯大学的 Luke Henderson 博士的团队合作，研究溶剂化物离子液体是否表现出类似的柔韧性。

图 3. 智能多功能延性热固性塑料在各种 IL 浓度下的拉伸机械性能及其在室温下的物理外观和行为；硬而脆 (10%)、延展性和柔性 (30%) 以及可拉伸和弹性 (50%)。 (Nishar Hameed 等人, Chem. Commun., 2015, 51, 9903--9906)

“使用溶剂化物离子液体在环氧树脂中发现快速固化行为是偶然的，”Hameed 承认。研究人员从第一次试验中意识到这个过程“太快了”，他说，这意味着环氧树脂的固化速度比正常情况快得多，也比预期的要快。 “然后，我们必须使用一系列离子液体、不同浓度和工艺条件来定制快速固化行为和相关物理特性的机制，”他说。

“与基准树脂相比，我们的新树脂配方的固化速度提高了 72 倍，”他说，“而且在某些组合物中，反应 [如此] 非常快，以至于我们无法对其进行测量。在我们进行任何测试之前，固化已经完成。”

重要的是，Hameed 补充说，这种方法不仅提高了固化速度，而且降低了树脂的固化温度，表明使用这种基质的制造过程具有潜在的节能潜力。

未来在大批量复合材料制造中的应用

在这些树脂准备离开实验室之前，还需要进行更多的研究。 “在进入商业途径之前，我们必须解决与快速材料制造相关的一些基本挑战。例如，在快速固化复合材料中，环氧树脂交联反应会在几秒钟内发生，伴随着快速加热-冷却循环和模塑-脱模过程，从而导致过程引起的应力，”Hameed 说。

为了解决这些问题，他和他的团队正在研究一种基于实验和计算建模的组合方法，以识别和减轻任何缺陷。 “这对于复合材料结构和相关制造工艺的完整性和效率至关重要，”他说。

未来，Hameed 看到了复合增材制造中 SIL 增强的快速固化环氧树脂的潜力，他说这通常会受到材料加工缓慢的阻碍，而快速固化树脂很容易解决这一挑战。 “我们正在开发能够使用立体光刻技术在几秒钟内固化的配方，从而加快零件生产时间，”他补充道。

正在评估的其他复合材料制造工艺包括灌注、树脂传递模塑 (RTM) 和其他形式的自动化，以及预浸料系统的定制，以及用于快干、环氧基涂料、表面涂层和施胶。 Hameed 说，树脂系统的灵活性还可以用于热成型，这对于热固性复合层压板来说通常是困难的。

“预计增材制造（包括复合材料自动化）以及可快速加工的聚合物将成为大批量复合材料制造以及复合材料部件系列生产的未来，”他补充道。 “如果可能的话，快速固化树脂和预浸料对于这种方法至关重要，因为我们需要必须在几秒钟内准备好的材料。”

斯威本未来工厂的 3D 打印和快速原型制造设施正在进行研究，ARC 先进材料表面工程中心 (ARC SEAM) 正在进行先进的表面涂层研究和开发。

Hameed 说：“这将是一个机会，可以汇集来自许多不同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。”

有关完整的结果和发现，请参阅发表在 2020 年 7 月 10 日的 ACS Applied Polymer Materials 上的全文 .