先进环氧树脂铺平高产量复合制造之路

Swinburne理工大学高级研究员Nishar Hameed博士手持3D打印屏幕原型。图片来源：Swinburne理工大学

复合材料3D打印及其他制造工艺向高产量应用扩展的挑战之一，是复合部件固化所需时间。针对快速固化、添加剂增强树脂基体系的研究或可提供解决方案。

Swinburne理工大学（澳大利亚墨尔本）研究人员与Deakin大学（澳大利亚吉朗）合作，近期发表研究，探讨溶剂化离子液体（SIL）——结合溶剂与金属盐的添加剂——作为催化剂，实现环氧树脂更快固化、更低固化温度。论文称，其他离子液体长期用作塑料添加剂，但SIL属相对较新类别，仍在研究中。

研究中，研究人员将不同重量百分比（1%至20%）的SIL与固化剂加入环氧基体并加热至熔点。论文报告：无添加剂环氧体系在100°C下固化约需31分钟；仅添加1%重量比SIL即使固化时间减少80%，更高添加量固化时间更低（见图1）。该增强型环氧树脂显示出实现更快、更高产量3D打印及其他复合制造工艺的潜力。

除快速固化外，研究团队在SIL增强环氧树脂中还观察到其他特性。Swinburne的Nishar Hameed博士（项目负责人、论文作者之一）表示，该项目源自其逾10年对离子液体与环氧树脂及其他聚合物相互作用的研究。早期研究并非寻求快速固化，却发现离子液体增强将传统脆性环氧聚合物转化为柔性可成型材料（见图2）。

“我们发现环氧树脂可表现如室温柔性延展热塑性塑料，亦如可拉伸弹性体，”Hameed说，“通过实验与理论方法，我们确定了可逆电荷转移机制，使环氧网络具备柔性。”（见图3。）

基于此发现，Hameed团队与Deakin大学Luke Henderson博士团队合作，考察溶剂化离子液体是否展现类似柔性特性。

“溶剂化离子液体使环氧树脂快速固化的发现是意外的，”Hameed承认。初期试验即显示过程“快得多”，环氧树脂固化远超预期。“我们随即通过不同离子液体、浓度及工艺条件调控快速固化机制及相关物理特性，”他补充。

“我们的新树脂配方固化速率较基准树脂提升72倍，”他说，“某些成分反应极快甚至无法测量——测试前固化已完成。”

重要的是，Hameed指出，该方法不仅提高固化速率，还降低树脂固化温度，暗示采用该基体的制造工艺可节能。

高产量复合制造的未来应用

这些树脂走出实验室仍需更多研究。“进入商业化路径前，必须解决快速材料制造的基础挑战。例如快速固化复合材料中，环氧交联反应在秒级完成，伴随快速热冷循环与模具开合，导致工艺诱导应力，”Hameed说。

为解决这些问题，他与团队采用实验与计算建模相结合方法，识别并缓解缺陷。“这对复合结构完整性与制造工艺效率至关重要，”他说。

未来，Hameed看到SIL增强快速固化环氧树脂在复合增材制造中的潜力，称后者常受限于材料处理缓慢，快速固化树脂可轻松应对。“我们正开发能在几秒内通过光固化技术固化的配方，从而加速零件生产，”他补充。

其他评估中的复合制造工艺包括注射成型、树脂传递模塑（RTM）及其他自动化形式，以及预浸料体系定制、速干环氧涂料、表面涂层与上浆。树脂体系的柔性还将支持热成型——这对热固性复合层压板通常较难实现。

“增材制造（含复合自动化）配合快速可加工聚合物，预测将成为高产量复合制造及复合零件批量生产的未来，”他补充，“快速固化树脂与预浸料对此至关重要，我们需要材料能在几秒内就绪。”

研究在Swinburne“未来工厂”3D打印快速原型设施及先进表面涂层研发中心（ARC SEAM）持续进行。

Hameed总结：“这将是汇聚多领域能力与专长的机会，最终解决复合产业制造挑战。”

完整结果见2020年7月10日发表于ACS《Applied Polymer Materials》的论文。