多機能エポキシ配合は、将来の複合材料製造の可能性を示しています

スインバン工科大学の上級研究員であるニシャーハミード博士は、スインバンの未来の工場で3Dプリントされたスクリーンのプロトタイプを持っています。写真提供者：Swinburne University of Technology

複合3D印刷やその他の製造プロセスで、より大量のアプリケーションにスケールアップし続けるための1つの課題は、複合部品の硬化にかかる時間です。急速硬化、添加剤強化樹脂マトリックスシステムの研究は1つの解決策を提供するかもしれません。

ディーキン大学（オーストラリア、ジーロング）の研究者と共同で、スウィンバーン工科大学（オーストラリア、メルボルン）の研究者が最近発表した研究では、溶媒と金属塩を組み合わせた添加剤である溶媒和イオン液体（SIL）の使用について検討しました。エポキシ樹脂の硬化時間を短縮し、硬化温度を下げるための触媒。論文によると、他の種類のイオン液体がプラスチックの添加剤としてしばらくの間使用されてきましたが、SILはこれらの液体の比較的新しいクラスであり、現在も研究されています。

図1.イオン液体添加剤のさまざまな負荷を使用したエポキシ硬化のレオロジープロファイルの硬化。 （Nishar Hameed et al。、ACS Appl。Polym。Mater。2020、2、2651-2657）Copyright 2020、American ChemicalSociety。

写真提供者：Swinburne University of Technology

この研究では、研究者は、硬化剤と組み合わせて、さまざまな重量のSIL（1％から20％まで）をエポキシマトリックスに添加し、融点まで加熱しました。この論文は、添加剤を含まないエポキシ系が100℃で約31分で硬化したと報告しています。 SIL添加剤をわずか1重量％添加すると、硬化時間が80％短縮され、SILの量が多いほど短くなります（図1を参照）。調査によると、このタイプの強化エポキシ樹脂は、より高速で大量の3D印刷やその他の複合材料製造プロセスを可能にする可能性を示しています。

さらに、SIL強化エポキシの研究チームが観察した特性は、硬化時間の短縮だけではありませんでした。プロジェクトを主導し、論文の著者であるスウィンバーンのニシャー・ハミード博士によると、このプロジェクトは、イオン性液体とエポキシ樹脂との相互作用を調査し、彼が10年以上取り組んできた研究から生まれました。および他のポリマー。彼の最初の研究では、Hameedと彼のチームは急速な硬化時間をまったく探していませんでしたが、イオン液体の強化により、従来の脆いエポキシポリマーが柔軟で成形可能な材料に変化することがわかりました（図2を参照）。

「エポキシは、室温、柔軟性、延性のある熱可塑性プラスチックのように、また伸縮性のあるエラストマーのように動作できることがわかりました」とHameed氏は言います。 「実験的および理論的アプローチを使用して、エポキシネットワークを柔軟にすることができる可逆的な電荷移動メカニズムを特定しました。」 （図3を参照）

この発見に基づいて、SwinburneのHameedと彼のチームは、ディーキン大学のLuke Henderson博士のチームと協力して、溶媒和イオン液体が同様の柔軟性特性を示すかどうかを調査しました。

図3.さまざまなIL濃度でのスマートで多機能な延性熱硬化性樹脂の引張機械的特性、および室温での物理的外観と挙動。硬くて脆い（10％）、延性と柔軟性（30％）、伸縮性とエラストマー（50％）。 （Nishar Hameed etal、Chem。Commun。、2015、51、9903--9906）

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「溶媒和イオン液体を使用したエポキシの急速硬化挙動の発見は偶然でした」とHameedは認めています。研究者たちは、最初の試験から、プロセスが「速すぎる」ことに気づきました。つまり、エポキシは通常よりもはるかに速く、予想以上に硬化していたということです。 「その後、さまざまなイオン液体、さまざまな濃度、プロセス条件を使用して、急速な硬化挙動と関連する物理的特性のメカニズムを調整する必要がありました」と彼は言います。

「ベンチマーク樹脂と比較して、新しい樹脂配合の硬化速度は72倍に増加しました」と彼は言います。「一部の組成物では、反応が非常に速く、測定できませんでした。テストを行う前に、硬化は完了しました。」

重要なことに、Hameed氏は、このアプローチは硬化速度を上げるだけでなく、樹脂の硬化温度を下げることもでき、このマトリックスを使用した製造プロセスでの潜在的なエネルギー節約を示しています。

大量の複合材料製造における将来のアプリケーション

これらの樹脂がラボを離れる準備ができる前に、追加の研究がまだ必要です。 「商業的な道に踏み出す前に、迅速な材料製造に関連するいくつかの基本的な課題に取り組む必要があります。たとえば、急速硬化複合材料では、エポキシ架橋反応が数秒以内に発生し、加熱-冷却サイクルと成形-離型プロセスが速くなり、プロセスに起因する応力が発生します」とHameed氏は述べています。

これらの問題を解決するために、彼と彼のチームは、実験と計算によるモデリングベースのアプローチを組み合わせて、欠陥を特定して軽減することに取り組んでいます。 「これは、複合構造と関連する製造プロセスの完全性と効率にとって重要です」と彼は言います。

将来、Hameedは、複合積層造形におけるSILで強化された高速硬化エポキシの可能性を見出しています。これは、急速硬化樹脂で簡単に対処できる課題である低速の材料処理によって妨げられることが多いと彼は言います。 「私たちは、ステレオリソグラフィー技術を使用して数秒で固化できる製剤を開発しているため、部品の製造時間を短縮できます」と彼は付け加えています。

評価中の他の複合材料製造プロセスには、注入、樹脂トランスファー成形（RTM）、その他の自動化、プリプレグシステムの調整、速乾性エポキシベースの塗料、表面コーティング、サイジングなどがあります。樹脂システムの柔軟性により、熱成形での使用も可能になると、Hameed氏は言います。これは、熱硬化性ベースの複合ラミネートでは通常困難です。

「迅速に処理可能なポリマーを伴う積層造形（複合自動化を含む）は、複合部品の大量生産および連続生産の将来であると予測されています」と彼は付け加えます。 「急速硬化樹脂とプリプレグは、可能であれば数秒で準備ができなければならない材料が必要なこのアプローチにとって重要です。」

Swinburne’sFactory of the Futureの3D印刷およびラピッドプロトタイピング施設で研究が進行中であり、ARC SEAM（ARC SEAM）での高度な表面コーティングの研究開発も行われています。

Hameed氏は次のように述べています。「これは、多くの異なる分野の能力と専門知識を結集し、最終的には複合産業の製造上の課題に対処する機会となるでしょう。」

完全な結果と調査結果については、ACS Applied Polymer Materials の2020年7月10日号に掲載された完全な論文を参照してください。 。