Geavanceerde epoxyharsen banen de weg voor hoog-volume composietproductie

Dr. Nishar Hameed, senior research fellow aan Swinburne University of Technology, houdt een 3D-geprint schermprototype bij Swinburne's Factory of the Future. Foto credit: Swinburne University of Technology

Eén uitdaging voor composiet 3D-printen en andere productieprocessen om door te schalen naar hogere-volume toepassingen is de tijd die het kost om composietonderdelen te verharden. Onderzoek naar een snelle-verharding, additief-verbeterde harsmatrixsysteem kan één oplossing bieden.

Een onlangs gepubliceerde studie van onderzoekers aan Swinburne University of Technology (Melbourne, Australië) in samenwerking met onderzoekers aan Deakin University (Geelong, Australië) keek naar het gebruik van solvate ionische vloeistoffen (SIL) – additieven die een oplosmiddel combineren met een metaalzout – als katalysator om snellere verhardingstijden en lagere verhardingstemperaturen voor epoxyharsen mogelijk te maken. Volgens het papier, zijn andere typen ionische vloeistoffen al enige tijd gebruikt als additieven in kunststoffen, maar SIL's zijn een relatief nieuwe klasse van deze vloeistoffen en worden nog bestudeerd.

Fig 1. Verhardingsreologische profielen van epoxy verharding met verschillende lading van ionische vloeistofadditief. (Nishar Hameed etal., ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 2651−2657) Copyright 2020, American Chemical Society. Foto credit: Swinburne University of Technology

Voor deze studie voegden de onderzoekers verschillende hoeveelheden per gewicht (van 1% tot 20%) van SIL's, in combinatie met een hardener, toe aan een epoxymatrix en verhitten tot smeltpunt. Het papier rapporteert dat het epoxysysteem zonder additieven verhardde in ongeveer 31 minuten bij 100°C; de toevoeging van slechts 1% per gewicht van SIL-additieven resulteerde in een 80% reductie in verhardingstijd, en nog lager voor grotere SIL-hoeveelheden (zie Fig. 1). Volgens de studie toont dit type verbeterde epoxyhars potentieel voor het mogelijk maken van snellere, hogere-volume 3D-printen en andere composietproductieprocessen.

Daarnaast was snellere verhardingstijd niet de enige eigenschap die waargenomen werd door het onderzoeksteam in SIL-verbeterde epoxy. Volgens Swinburne's Dr. Nishar Hameed, een senior research fellow die het project leidde en auteur is op het papier, groeide dit project uit onderzoek dat hij al meer dan 10 jaar uitvoert, naar de interacties van ionische vloeistoffen met epoxyharsen en andere polymeren. In zijn initiële onderzoek zochten Hameed en zijn team niet naar snelle verhardingstijd, maar vonden dat ionische vloeistofverbetering traditionele broze epoxy polymeren transformeerde in een flexibel en vormbaar materiaal (zie Fig. 2).

"We vonden dat epoxy kan gedragen als een kamertemperatuur, flexibel, ductiel thermoplastisch, en ook als een rekbaar elastomeer," zegt Hameed. "Met experimentele en theoretische benadering identificeerden we het reversibele ladingsoverdrachtsmechanisme dat het epoxy-netwerk flexibel maakt." (Zie Fig. 3.)

Op deze bevinding voortbouwend, collaboreerden Hameed en zijn team bij Swinburne met Dr. Luke Henderson's team bij Deakin University om te onderzoeken of solvate ionische vloeistoffen vergelijkbare flexibiliteitseigenschappen vertoonden.

Fig. 3. De trekmechanische eigenschappen van de slimme, multifunctionele ductiele thermoharders bij verschillende IL-concentraties en hun fysieke uiterlijk en gedrag bij kamertemperatuur; hard & broos (10%), ductiel en flexibel (30%) en rekbaar en elastomeerachtig (50%). (Nishar Hameed etal, Chem. Commun., 2015, 51, 9903--9906) Foto credit: Swinburne University of Technology

"De ontdekking van snelle-verhardingsgedrag in epoxy met solvate ionische vloeistof was toevallig," erkent Hameed. De onderzoekers realiseerden zich vanaf de eerste proeven dat het proces "veel te snel" ging, zegt hij, betekent dat de epoxy's veel sneller verharden dan normaal, en meer dan verwacht. "We moesten dan werken met een reeks ionische vloeistoffen, verschillende concentraties en procesomstandigheden om het mechanisme van snelle verhardingsgedrag en geassocieerde fysieke eigenschappen af te stemmen," zegt hij.

"Er was een 72-voudige toename in verhardingssnelheid voor onze nieuwe harsformulering vergeleken met de benchmarkhars," zegt hij, "en in sommige composities was de reactie [zo] extreem snel dat we het niet in staat waren te meten. Verharding was voltooid voordat we enige testen konden doen."

Significant, voegt Hameed toe, verhoogt deze benadering niet alleen de verhardingssnelheid, maar verlaagt ook de verhardingstemperatuur van de hars, wijzend op potentiële energiebesparingen in productieprocessen die deze matrix gebruiken.

Toekomstige toepassingen in hoog-volume composietproductie

Extra onderzoek is nog nodig voordat deze harsen klaar zijn om het lab te verlaten. "Voordat we in commerciële paden stappen, moeten we een aantal fundamentele uitdagingen adresseren die geassocieerd zijn met snelle materialenproductie. Bijvoorbeeld, in snelle-verhardingscomposieten, vinden de epoxy cross-linking reacties plaats binnen seconden met snelle verhit-afkoel cycli en vorming-demoulding processen, wat leidt tot proces-geïnduceerde spanningen," zegt Hameed.

Om deze issues op te lossen, werkt hij en zijn team aan een gecombineerde experimentele en computationele modellering-gebaseerde benadering om imperfecties te identificeren en te mitigeren. "Dit is cruciaal voor de integriteit en efficiëntie van composietstructuren en de geassocieerde productieprocessen," zegt hij.

In de toekomst ziet Hameed potentieel voor SIL-verbeterde, snelle-verharding epoxy's in composiet additieve productie, wat hij zegt vaak belemmerd wordt door trage materialenverwerking, een uitdaging gemakkelijk aangepakt door snelle-verhardingsharsen. "We ontwikkelen formuleringen die in staat zijn om in een kwestie van seconden te verharden met stereolithografische techniek en dus de onderdeelproductietijd te versnellen," voegt hij toe.

Andere composietproductieprocessen onder evaluatie omvatten infusie, resin transfer molding (RTM) en andere vormen van automatisering, alsook afstemmen voor prepreg systemen, en gebruik in snelle-drogende, epoxy-gebaseerde verf, oppervlaktecoatings en sizing. De flexibiliteit van de harsystemen zal ook gebruik in thermoformen mogelijk maken, zegt Hameed, wat doorgaans moeilijk is voor thermohard-gebaseerde composietlaminaten.

"Additieve productie (inclusief composietautomatisering) samen met snel verwerkbare polymeren wordt voorspeld als de toekomst van hoog-volume composietproductie alsook seriesproductie van composietonderdelen," voegt hij toe. "Snelle-verharding harsen en prepregs zijn cruciaal voor deze benadering waar we materialen nodig hebben die in een kwestie van seconden klaar moeten zijn, als mogelijk."

Onderzoek is gaande bij Swinburne's Factory of the Future 3D-printen en rapid prototyping faciliteit, samen met geavanceerde oppervlaktecoating onderzoek en ontwikkeling bij het ARC Centre for Surface Engineering for Advanced Materials (ARC SEAM).

Hameed zegt: "Dit zal een kans zijn om mogelijkheden en expertise uit veel verschillende gebieden samen te brengen, uiteindelijk om productieuitdagingen voor composietenindustriën aan te pakken."

Voor de volledige resultaten en bevindingen, zie het volledige papier, dat gepubliceerd is in de uitgave van 10 juli 2020 van ACS Applied Polymer Materials.