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Vitrimers(維替米爾)既非傳統熱固性塑料，也非傳統熱塑性塑料，但其行為兼具二者特性，從而融合了兩者的最佳優勢。CW就此向Mallinda尋求解釋。
盡管Mallinda的基于vitrimer（維替米爾）的樹脂以雙組分配方形式提供，其固化方式類似熱固性樹脂，但它還提供上述此類預固化板材。這些板材可在室溫下儲存，且無保質期限制。要制作零件，只需將板材加熱至玻璃化轉變溫度（Tg）以上以軟化樹脂，然后成型為所需形狀并冷卻。Mallinda將這種材料稱為可再加工熱固性樹脂。
您的復合材料詞匯表中新增了一個值得關注的術語：維替米爾（Vitrimers）。這種材料由法國研究員呂迪克·萊布勒（LudwikLeibler）于2011年首次發現并命名。維替米爾是一類源自熱固性聚合物的塑料，其分子通過共價鍵形成網絡結構，并能通過熱激活的鍵交換反應改變拓撲結構。與熱固性塑料類似，維替米爾可在特定溫度下進行交聯；又與熱塑性塑料相似，在高溫條件下可被軟化并重塑。
直至最近，維替米爾材料主要局限于學術和實驗室環境。然而，在過去幾年中，已有少數供應商實現了維替米爾材料的商業化，證明此類材料具有持久的應用前景。其中一家供應商—美國科羅拉多州丹佛市的Mallinda公司—正基于維替米爾技術開展運營并推出產品，從而驗證了該材料的可行性。
維替米爾材料應運而生
菲利普·泰頓（PhilipTaynton）是Mallinda公司的首席技術官，該公司由他與同學克里斯·卡弗（ChrisKaffer，現任首席執行官）于2014年共同創立。泰頓與卡弗相識于科羅拉多大學博爾德分校（CU-Boulder），當時兩人都在攻讀研究生課程：泰頓攻讀化學博士學位，卡弗則攻讀工商管理碩士學位。Mallinda公司成立的初衷是為了商業化泰頓在科羅拉多大學博爾德分校進行的關于維替米爾樹脂（vitrimers）的研究。他表示，公司的目標是開發并推向市場一種基體樹脂，該樹脂具有熱固性環氧樹脂的加工性能，同時又具備熱塑性材料的再加工能力。卡弗為公司從美國國家科學基金會（NSF）和科羅拉多州政府獲得了早期資金支持，從而推動了公司的起步發展。
2016年，泰頓和卡弗將Mallinda遷至伯克利實驗室（位于美國加利福尼亞州伯克利）的回旋加速器（CyclotronRoad）項目，該項目現更名為“激活學者計劃”（ActivateFellowship），是一個旨在幫助具有全球影響力潛力的創業科學家推進項目的科技孵化器。在此期間，卡弗和泰頓致力于使其維替米爾（vitrimer）技術日趨成熟，并完善商業化路徑。“該學者計劃在兩個關鍵方面發揮了重要作用，”泰頓表示，“首先，它使我們能夠在世界級環境中專注于技術風險降低。其次，它使我們能夠大幅拓展戰略合作伙伴、客戶、投資者、人才和導師的網絡。”
2018年，泰頓和卡弗將Mallinda遷回科羅拉多州，并開始認真進行產品開發與生產。在此過程中，他們從國家科學基金會（NSF）、科羅拉多州政府、美國能源部（DOE）獲得了額外資金，并從SABICVentures獲得了A輪融資。
這款座椅背展示了Mallinda基于維特里默樹脂體系的可成形性。盡管該樹脂的加工方式類似熱固性塑料，但其可像熱塑性塑料一樣進行再加工。此外，它還具備與熱塑性塑料相同的易回收特性
可再加工熱固性樹脂
泰頓在科羅拉多大學博爾德分校的研究聚焦于一種利用可交換亞胺鍵連接化學鍵的樹脂的開發。他說，亞胺鍵在化學界已為人所知數十年，但因其在水存在下不穩定而聲名不佳。泰頓表示：“亞胺鍵非常特殊，因為它作為碳-氮雙鍵，具有很強的穩定性，但同時也能在無需催化劑的情況下與其他鄰近的C=N鍵輕松交換。我們在科羅拉多大學博爾德分校取得的突破是開發出完全穩定的亞胺鍵網絡。這為一種新型化學平臺打開了大門，該平臺不僅能夠與傳統熱固性樹脂的機械性能相媲美，還能實現完全交聯聚合物的可逆后固化加工?！?/p>
此外，泰頓指出，Mallinda的亞胺鍵聯網絡可使用商業可用試劑制備。盡管具備這些特性，但Mallinda最初產品的“機械性能、價格定位、環境敏感性及可制造性均不及復合材料樹脂的現有競爭水平。自離開科羅拉多大學博爾德分校以來的數年里，我們的研發重點一直致力于解決所有這些問題。我們成功開發了一種具有機械強度高且用途廣泛的材料平臺技術，以與現有傳統材料競爭。”
泰頓表示，他于2014年發表的首篇關于亞胺鍵聯網絡的論文，已預見其作為復合材料制造中基體樹脂的應用潛力。“當時潛力已然存在，”他表示，“但在過去六年中，我們解答了許多疑問。”
那些問題的答案均圍繞面向商業規模生產的配方開發展開。如今，泰頓表示：“我們無需合成復雜的化學前體來制備我們的樹脂。由于我們不必合成任何新的化學物質，生產成本顯著降低，且能夠迅速實現規?；a。”
其結果是一種樹脂基體，泰頓稱其“起初與其他熱固性樹脂類似”。這是一種雙組分配方，具有一定的適用期，并可通過復合材料制造中常見的任何傳統方法進行固化，包括壓縮模塑、烘箱固化或熱壓罐固化。它在1-3分鐘內固化，并像熱固性樹脂一樣完全交聯。該樹脂也可制成預浸料。然而，當樹脂被加熱至材料的玻璃化轉變溫度（Tg）以上時，那些亞胺鍵開始迅速交換，樹脂變軟。在軟化狀態下，零件可被重塑，直至樹脂溫度降至Tg以下。此時，隨著玻璃化轉變使網絡凍結，鍵交換反應基本停止。
由于維替默爾（vitrimers）本身具有可逆化學特性，固化后的材料在溫和條件下僅通過添加單體前驅物即可解聚并與纖維分離。單體自身可逆地參與網絡反應，并將其分解為較小的分子片段，從而生成液態樹脂，該樹脂可輕松與纖維和填料分離。未經過修飾的回收樹脂可直接用于制備下一代生產級維替默樹脂。據泰頓介紹，第二代樹脂可包含30-40%的回收樹脂負載量，這不僅能夠進一步降低樹脂方面的成本，還能體現回收纖維材料的價值。
此類材料應如何命名？泰頓強調，盡管它類似于熱塑性材料進行再加工，但它并非熱塑性材料。盡管它像熱固性材料一樣固化并交聯，但它既不是環氧樹脂、聚酯、乙烯基酯，也不是任何其他常見樹脂體系?！拔覀兎Q其為可再加工或可逆熱固性材料，”泰頓表示。
該顯微照片展示了在回收Mallinda可再加工熱固性樹脂基體系統時如何保留纖維質量。此外，回收過程中產生的30-40%單體可被整合到樹脂的下一代產品中。
產品與應用
Mallinda正致力于開發和商業化兩款基于其亞胺鍵聯技術的樹脂。泰頓表示，首款產品VitrimaxT60面向運動用品市場，其玻璃化轉變溫度（Tg）設計使得該材料可在家庭終端用戶可接觸的溫度范圍（60-80°C）下軟化，并隨后進行定制物理改性以重塑形態。
該材料的潛在應用包括滑雪杖及個人防護用符合墊。第二種產品名為VitrimaxT130，正被定位為標準結構環氧樹脂的即插即用替代品。其工藝溫度范圍為180-200°C，玻璃化轉變溫度（Tg）為130°C。該材料可進行壓縮成型，主要針對汽車零部件、風力渦輪機葉片主梁帽及工業結構的應用需求。
Mallinda的產品配方可提供液態形式，但泰頓表示，最便于用戶使用的形式是完全固化的板材。為生產此類板材，Mallinda對選定的纖維進行預浸漬，然后立即進行固化以制成板材產品。這種板材可在室溫下輕松運輸和儲存，無保質期限制，并可快速加熱軟化以成型為最終形狀。“此成型過程中的模內時間非常短”，泰頓表示?！按送?，我們的材料已顯示出良好的層間粘結性能。它與環氧樹脂的粘結效果也非常理想?！碧╊D報告稱，Mallinda的樹脂表面能與環氧樹脂相似，因此與大多數用于環氧樹脂的上漿纖維兼容。
Mallinda正在開發與拉擠工藝、樹脂傳遞模塑（RTM）及單向（UD）膠帶兼容的樹脂品種。同時，一種符合防火、煙霧及毒性（FST）標準的樹脂也正在研發中。此外，這些樹脂正被評估用于與芳綸纖維及超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維配合使用。泰頓表示，焊接性能與可修復性亦在研究之列。
進入市場
泰頓表示，當他與卡弗共同創立Mallinda時，他們的最初重點是開發一種可回收樹脂，該樹脂能通過標準復合材料制造工藝快速固化。然而，在過去幾年里，他說：“這種產品的驅動力是循環經濟?；厥找殉蔀楫攧罩保绕涫窃跉W盟，我們的材料與此高度契合。”
無論其用途如何，將此產品推向市場無疑需要開發工業規模的生產能力。Mallinda公司正在其丹佛工廠建設產能，以生產每種VitrimaxT60和T130產品的1噸美國標準量。這些生產線產出的材料將用于客戶試用及驗證項目。
全規模生產將由工業合作伙伴按委托加工方式負責，泰頓表示，這些合作伙伴更具備完成此項任務的能力。Mallinda公司將負責產品研發與銷售。目前該公司員工8人，但泰頓預計，在公司獲得下一輪融資后，員工人數將增至12至15人。
原文，《Vitrimers:Thereprocessablethermoset》2020.9.28
楊超凡