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對(duì)于復(fù)合材料的3D打印和其他制造工藝來(lái)說(shuō)，若想不斷擴(kuò)大制造尺度和規(guī)模以適應(yīng)更大更廣泛的應(yīng)用量，工業(yè)界面臨的重要挑戰(zhàn)之一就是固化復(fù)合材料零部件所需的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。對(duì)于如何進(jìn)行快速固化，工業(yè)界已經(jīng)進(jìn)行了諸多嘗試，添加劑強(qiáng)化的樹(shù)脂基體研究可能會(huì)提供一種有效解決方案。
澳大利亞斯威本科技大學(xué)與迪肯大學(xué)的研究人員近發(fā)表的一項(xiàng)新的研究成果，重點(diǎn)研究了一種溶劑化離子液體（SIL）的使用。SIL是一種將溶劑與金屬鹽結(jié)合在一起的添加劑，其應(yīng)用將作為催化劑，加快環(huán)氧樹(shù)脂的固化速度并降低固化溫度。根據(jù)研究人員發(fā)表的論文顯示，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究，其他類(lèi)型的離子液體也已用作塑料中的添加劑，但是這種SIL則是相對(duì)較新的一類(lèi)離子液體，并且目前仍在研究中。
在這項(xiàng)研究中，研究人員將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（從1%到20%）的SIL與硬化劑一起添加到環(huán)氧樹(shù)脂基體中，并加熱至固溶點(diǎn)。結(jié)果顯示，不含任何添加劑的環(huán)氧樹(shù)脂體系在100℃的加熱溫度下約31分鐘內(nèi)完全固化。而僅添加1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SIL添加劑，就可以減少80%的固化時(shí)間。加入更多的SIL還可以進(jìn)一步縮短固化時(shí)間（見(jiàn)圖1）。這項(xiàng)研究表明，這種增強(qiáng)型環(huán)氧樹(shù)脂具有實(shí)現(xiàn)更快、更高產(chǎn)量的3D打印和其他復(fù)合材料制造工藝的潛力。
此外，擁有更快的固化時(shí)間并不是該研究團(tuán)隊(duì)在SIL增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂中觀察到的唯一性能。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示，該項(xiàng)目源于其過(guò)去10多年來(lái)一直從事的研究工作——離子液體與環(huán)氧樹(shù)脂和其他聚合物間的相互作用。在早期的研究中，研究人員與研究團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有在減少固化時(shí)間方面尋求突破，而是先發(fā)現(xiàn)了離子液體增強(qiáng)劑能夠?qū)鹘y(tǒng)的脆性環(huán)氧聚合物改良為柔性和可成型的材料（見(jiàn)圖2）。
圖2左圖顯示，施加較小的力可以彎曲和扭轉(zhuǎn)柔性彈性體環(huán)氧樹(shù)脂，在撤去外力后，環(huán)氧樹(shù)脂可恢復(fù)原始形狀。右圖顯示，經(jīng)過(guò)改良的柔性熱固性環(huán)氧樹(shù)脂斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到了280%
研究人員表示，經(jīng)過(guò)離子液體添加劑改良的環(huán)氧樹(shù)脂，其性能類(lèi)似于在室溫條件下柔性可延展的熱塑性塑料，也類(lèi)似于可拉伸的彈性體。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究方法的印證，研究人員確定了可逆電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，從而使環(huán)氧樹(shù)脂體系變得靈活（見(jiàn)圖3）
在這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)與迪肯大學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作，研究了溶劑化離子液體是否能夠展現(xiàn)出類(lèi)似的柔韌性。
圖3表示含有不同離子液體濃度的智能多功能延展性熱固性塑料，其拉伸機(jī)械性能及其在室溫下的物理性能表現(xiàn)和行為。其中離子液體濃度為10%時(shí)表現(xiàn)為“硬而脆”，30%時(shí)表現(xiàn)處優(yōu)良的柔韌性，在50%時(shí)表現(xiàn)出出眾的可拉伸和彈性。
研究人員表示，發(fā)現(xiàn)經(jīng)溶劑化離子液體改良環(huán)氧樹(shù)脂具有快速固化的行為是偶然的。研究人員在早期的試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂的固化速度比傳統(tǒng)情況快得多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期。為了進(jìn)一步探究這一現(xiàn)象，研究人員使用不同類(lèi)型離子液體，不同濃度和工藝條件的例子液體，進(jìn)一步調(diào)整環(huán)氧樹(shù)脂的快速固化行為和相關(guān)物理性能，探究其機(jī)理。
研究結(jié)果顯示，與不含任何添加劑的環(huán)氧樹(shù)脂相比，新的樹(shù)脂配方固化速率提高了72倍，甚至在某些組分中，反應(yīng)非常快，以至于無(wú)法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，在進(jìn)行任何測(cè)試之前固化就已經(jīng)完成。
值得一提的是，這種方法不僅提高了固化速度，而且還進(jìn)一步降低了環(huán)氧樹(shù)脂的固化溫度，這表明在使用該樹(shù)脂基體的制造過(guò)程中可節(jié)省能源。
新樹(shù)脂未來(lái)有望在大批量復(fù)合材料制造中取得應(yīng)用
這種改良型環(huán)氧樹(shù)脂在離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化應(yīng)用前，目前仍需要開(kāi)展其他大量的研究工作，解決與快速材料制造相關(guān)的一些困難與基本挑戰(zhàn)。例如，在快速固化的復(fù)合材料中，環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)反應(yīng)會(huì)在幾秒鐘內(nèi)伴隨著快速加熱-冷卻循環(huán)和成型-脫模過(guò)程發(fā)生，在這一過(guò)程中可能導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生多余應(yīng)力，形成結(jié)構(gòu)缺陷。
為了解決這些問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)正在利用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模型的組合方法，識(shí)別和減輕任何可能在環(huán)氧樹(shù)脂固化后結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的缺陷。這項(xiàng)工作對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及相關(guān)制造工藝的完整性和效率至關(guān)重要。
未來(lái)，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在復(fù)合材料增材制造中，使用SIL增強(qiáng)的快速固化環(huán)氧樹(shù)脂具有廣泛應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)環(huán)氧基復(fù)合材料往往由于材料固化過(guò)程緩慢而影響制造效率，而可快速固化的環(huán)氧樹(shù)脂可有效解決這一難題。研究人員正在開(kāi)發(fā)能夠通過(guò)立體光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)在幾秒鐘內(nèi)結(jié)構(gòu)固化的配方，從而加快了零部件生產(chǎn)速度。
正在評(píng)估中的其他復(fù)合材料制造工藝包括灌注成形、樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）和其他形式的自動(dòng)化制造工藝。同時(shí)還針對(duì)預(yù)浸料體系的開(kāi)展了定制化的工藝研究，在快速干燥、環(huán)氧涂料、表面涂料和施膠等方面也進(jìn)行了探索。研究人員表示，新樹(shù)脂體系帶來(lái)的柔韌性還可以用于熱成型，這對(duì)于熱固性復(fù)合材料層壓板材來(lái)說(shuō)往往很難實(shí)現(xiàn)。
研究人員表示，增材制造技術(shù)（包括復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)）以及可快速加工的聚合物，預(yù)計(jì)將稱(chēng)為實(shí)現(xiàn)大批量復(fù)合材料制造以及復(fù)合材料零部件批量生產(chǎn)的未來(lái)。快速固化樹(shù)脂和預(yù)浸料對(duì)于實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)至關(guān)重要，在未來(lái)工廠中，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，必須要在幾秒鐘內(nèi)將生產(chǎn)材料準(zhǔn)備就緒。
目前，這項(xiàng)研究工作正在進(jìn)行中，斯威本大學(xué)未來(lái)工廠主要攻關(guān)3D打印和快速成型設(shè)備的研發(fā)，ARC先進(jìn)材料表面工程中心則聚焦先進(jìn)表面涂層的研發(fā)。
研究人員表示，這項(xiàng)工作可匯集來(lái)自不同工業(yè)領(lǐng)域的能力和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，終解決復(fù)合材料行業(yè)的制造挑戰(zhàn)。