高速硬化エポキシ樹脂が大量生産コンポジット製造の道を開く

スウィンバーン工科大学のシニアリサーチフェロー、ニシャール・ハミード博士が、同大学「ファクトリー・オブ・ザ・フューチャー」で3Dプリントスクリーンプロトタイプを手にしています。写真提供：スウィンバーン工科大学

コンポジット3Dプリントやその他の製造プロセスが大量生産用途へスケールアップする上での課題の一つは、コンポジット部品の硬化に要する時間です。速硬化・添加剤強化レジンマトリックスシステムの研究が、一つの解決策を提供する可能性があります。

スウィンバーン工科大学（オーストラリア・メルボルン）の研究者たちが、ディーキン大学（オーストラリア・ジーロング）の研究者たちと協力して最近発表した研究では、溶媒和イオン液体（SIL）――溶媒と金属塩を組み合わせた添加剤――を触媒として用い、エポキシ樹脂のより速い硬化時間と低い硬化温度を実現することを検討しました。論文によると、他の種類のイオン液体は長年プラスチック添加剤として使用されてきましたが、SILは比較的新しいクラスであり、まだ研究段階にあります。

この研究では、硬化剤と組み合わせて、重量比で異なる量（1%〜20%）のSIL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。論文によると、添加剤なしのエポキシシステムは100℃で約31分で硬化しましたが、わずか1重量%のSIL添加で硬化時間が80%短縮され、より多くのSILではさらに短縮されました（図1参照）。この強化エポキシ樹脂は、より高速・大量の3Dプリントやその他のコンポジット製造プロセスを可能にする潜在性を示しています。

さらに、速硬化だけでなく、SIL強化エポキシで研究チームが観察した特性があります。スウィンバーンのニシャール・ハミード上級研究員（プロジェクトリーダー、論文著者）によると、このプロジェクトは10年以上にわたり、イオン液体とエポキシ樹脂やその他ポリマーの相互作用を研究してきた成果です。初期研究では速硬化を狙っていませんでしたが、イオン液体強化により、従来は脆いエポキシポリマーが柔軟で成形可能な材料に変わることが判明しました（図2参照）。

「エポキシが室温で柔軟・延性のある熱可塑性樹脂のように、また伸縮性エラストマーのように振る舞うことを発見しました」とハミード氏。「実験的・理論的アプローチで、エポキシネットワークを柔軟にする可逆的電荷移動メカニズムを特定しました。」（図3参照）

この発見を基に、ハミード氏とスウィンバーンのチームは、ディーキン大学のルーク・ヘンダーソン博士チームと協力し、溶媒和イオン液体が同様の柔軟性特性を示すかを調査しました。

「エポキシにおける溶媒和イオン液体による速硬化挙動の発見は偶然でした」とハミード氏は認めます。初回試験からプロセスが「あまりに速すぎる」ことが分かり、エポキシが通常より遥かに速く、予想以上に硬化したといいます。「その後、様々なイオン液体、濃度、プロセス条件で、速硬化メカニズムと関連物性を調整する必要がありました。」

「ベンチマーク樹脂と比較して、新樹脂処方で硬化速度が72倍向上しました」と氏。「一部の組成では反応が極めて速く、測定不能でした。テストを実施する前に硬化が完了してしまうのです。」

重要なことに、このアプローチは硬化速度向上だけでなく、樹脂の硬化温度も低下させ、このマトリックスを使用する製造プロセスでの省エネ可能性を示唆しています。

大量生産コンポジット製造への将来応用

これらの樹脂が実用化されるにはさらなる研究が必要です。「商業化の前に、速硬化コンポジットに伴う根本的課題に対処しなければなりません。例えば、エポキシ架橋反応が秒単位で起こり、急速な加熱冷却サイクルと成形・脱型プロセスが伴うため、プロセス誘発応力が生じます」とハミード氏。

これらの問題解決のため、彼とチームは実験的・計算モデリングベースの統合アプローチで欠陥の特定と緩和に取り組んでいます。「これはコンポジット構造と関連製造プロセスの完全性と効率にとって極めて重要です。」

将来的には、SIL強化速硬化エポキシがコンポジット積層造形に応用可能とハミード氏は見ています。同氏によると、コンポジット積層造形は遅い材料処理がボトルネックになりがちですが、速硬化樹脂で容易に解決できます。「ステレオリソグラフィ技術で数秒で固化する処方を開発中で、部品生産時間を大幅に短縮できます。」

評価中のその他のコンポジット製造プロセスには、インフュージョン、樹脂移行成形（RTM）、その他の自動化、プリプレグシステムへの対応、速乾性エポキシ系塗料・表面コーティング・サイジングへの使用があります。樹脂システムの柔軟性により、熱成形への使用も可能になるとハミード氏。これは通常、熱硬化性コンポジット積層板では困難です。

「積層造形（コンポジット自動化含む）と高速処理可能ポリマーは、大量生産コンポジット製造およびコンポジット部品の量産の未来になると予測されます」と氏。「可能であれば数秒で準備完了する材料、つまり速硬化樹脂とプリプレグがこのアプローチには不可欠です。」

研究はスウィンバーンの「ファクトリー・オブ・ザ・フューチャー」3Dプリント・ラピッドプロトタイピング施設、および先端表面コーティング研究開発のARCセンター（ARC SEAM）で継続中です。

ハミード氏：「これは多様な分野の能力と専門知識を結集し、最終的にコンポジット産業の製造課題に取り組む機会になります。」

詳細な結果と発見については、2020年7月10日発行のACS『Applied Polymer Materials』掲載の全論文を参照してください。