다기능성 에폭시 배합은 미래의 복합재 제조 가능성을 보여줍니다

Swinburne의 미래 공장에서 3D 인쇄 스크린 프로토타입을 들고 있는 Swinburne University of Technology의 선임 연구원인 Dr. Nishar Hameed. 사진 제공:Swinburne 기술 대학교

복합 3D 프린팅 및 기타 제조 공정에서 계속해서 고용량 애플리케이션으로 확장하기 위한 한 가지 과제는 복합 부품을 경화하는 데 걸리는 시간입니다. 급속 경화, 첨가제 강화 수지 매트릭스 시스템에 대한 연구가 하나의 솔루션을 제공할 수 있습니다.

Swinburne University of Technology(호주 멜버른)의 연구원들이 Deakin University(호주 질롱)의 연구원들과 공동으로 최근에 발표한 연구에서는 용매와 금속염을 결합하는 첨가제인 용매화물 이온성 액체(SIL)의 사용을 다음과 같이 조사했습니다. 에폭시 수지의 더 빠른 경화 시간과 더 낮은 경화 온도를 가능하게 하는 촉매. 논문에 따르면 다른 유형의 이온성 액체가 플라스틱의 첨가제로 한동안 사용되어 왔지만 SIL은 이러한 액체의 비교적 새로운 종류이며 여전히 연구 중입니다.

그림 1. 이온성 액체 첨가제의 다양한 로딩을 사용한 에폭시 경화의 경화 레올로지 프로파일. (Nishar Hameed et al., ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 2651-2657) Copyright 2020, American Chemical Society.

사진 제공:스윈번 공과대학교

이 연구를 위해 연구원들은 경화제와 함께 다양한 중량(1%에서 최대 20%)의 SIL을 에폭시 매트릭스에 첨가하고 융점까지 가열했습니다. 이 논문은 첨가제가 없는 에폭시 시스템이 100°C에서 약 31분 내에 경화된다고 보고합니다. 1중량%의 SIL 첨가제만 추가하면 경화 시간이 80% 감소하고 SIL 양이 많을수록 더 낮아집니다(그림 1 참조). 연구에 따르면 이러한 유형의 강화된 에폭시 수지는 더 빠르고 대량의 3D 프린팅 및 기타 복합 재료 제조 공정을 가능하게 하는 잠재력을 보여줍니다.

또한 연구팀은 SIL 강화 에폭시에서 더 빠른 경화 시간만이 관찰된 특성이 아닙니다. 프로젝트를 주도한 선임 연구원이자 이 논문의 저자인 Swinburne의 Nishar Hameed 박사에 따르면 이 프로젝트는 이온성 액체와 에폭시 수지의 상호 작용을 조사하는 그가 10년 이상 수행한 연구에서 비롯되었습니다. 및 기타 폴리머. 그의 초기 연구에서 Hameed와 그의 팀은 빠른 경화 시간을 전혀 추구하지 않았지만 이온성 액체 강화가 전통적으로 부서지기 쉬운 에폭시 폴리머를 유연하고 성형 가능한 재료로 변형시켰다는 것을 발견했습니다(그림 2 참조).

Hameed는 “에폭시가 실온의 유연하고 연성이 있는 열가소성 물질과 마찬가지로 신축성이 있는 엘라스토머처럼 작용할 수 있음을 발견했습니다.”라고 말했습니다. "실험적이고 이론적인 접근 방식을 사용하여 우리는 에폭시 네트워크를 유연하게 만드는 가역적 전하 이동 메커니즘을 확인했습니다." (그림 3 참조)

이 발견을 바탕으로 Swinburne의 Hame와 그의 팀은 Deakin 대학의 Luke Henderson 박사 팀과 협력하여 용매화물 이온성 액체가 유사한 유연성 특성을 나타내는지 여부를 조사했습니다.

그림 3. 다양한 IL 농도에서 스마트 다기능 연성 열경화성 수지의 인장 기계적 특성과 실온에서의 물리적 외관 및 거동. 단단하고 부서지기 쉬운(10%), 연성 및 유연성(30%) 및 신축성 및 탄성 중합체(50%). (Nishar Hameed et al, Chem. Commun., 2015, 51, 9903--9906)

사진 제공:스윈번 공과대학교

Hameed는 "용매 이온성 액체가 있는 에폭시에서 급속 경화 거동의 발견은 뜻밖의 일이었습니다."라고 인정합니다. 연구원들은 첫 번째 시도에서 프로세스가 "너무 빨리" 진행되고 있다는 것을 깨달았다고 그는 말합니다. 즉, 에폭시가 예상보다 훨씬 빨리 경화되고 있음을 의미합니다. "그런 다음 우리는 빠른 경화 거동 및 관련 물리적 특성의 메커니즘을 조정하기 위해 다양한 이온성 액체, 다양한 농도 및 공정 조건으로 작업해야 했습니다."라고 그는 말합니다.

"기준 수지에 비해 새로운 수지 배합의 경화 속도가 72배 증가했습니다."라고 그는 말합니다. "일부 구성에서는 반응이 너무 빨라서 측정할 수 없었습니다. 테스트를 수행하기 전에 경화가 완료되었습니다.”

중요하게도 Hamed는 이 접근 방식이 경화 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 수지의 경화 온도를 낮추어 이 매트릭스를 사용하는 제조 공정에서 잠재적인 에너지 절약을 시사한다고 덧붙였습니다.

대량 복합재 제조의 미래 응용

이 수지가 실험실을 떠날 준비가 되기 전에 추가 연구가 여전히 필요합니다. “상업적 경로를 밟기 전에 빠른 재료 제조와 관련된 몇 가지 근본적인 문제를 해결해야 합니다. 예를 들어, 급속 경화 복합재에서 에폭시 가교 반응은 빠른 가열-냉각 주기 및 성형-탈형 공정으로 몇 초 내에 발생하여 공정 유도 응력을 유발합니다.”라고 Hameed는 말합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 그와 그의 팀은 결함을 식별하고 완화하기 위해 결합된 실험 및 계산 모델링 기반 접근 방식을 연구하고 있습니다. "이것은 복합 구조 및 관련 제조 공정의 무결성과 효율성에 매우 중요합니다."라고 그는 말합니다.

미래에 Hameed는 복합 적층 제조에서 SIL이 강화된 속경화 에폭시의 가능성을 보고 있습니다. 그는 속경화 수지로 쉽게 해결할 수 있는 문제인 느린 재료 처리로 인해 종종 방해를 받는다고 말합니다. "우리는 광조형 기술을 사용하여 몇 초 만에 고형화할 수 있는 제형을 개발하고 있으므로 부품 생산 시간을 단축할 수 있습니다."라고 그는 덧붙입니다.

평가 중인 기타 복합재 제조 공정에는 주입, 수지 이송 성형(RTM) 및 기타 형태의 자동화, 프리프레그 시스템 맞춤화, 속건성, 에폭시 기반 페인트, 표면 코팅 및 사이징 사용이 포함됩니다. 수지 시스템의 유연성은 또한 열성형에 사용할 수 있게 해줄 것이라고 Hameed는 말합니다. 이는 일반적으로 열경화성 복합 라미네이트의 경우 어렵습니다.

그는 “첨단 제조(복합 자동화 포함)와 신속한 처리가 가능한 폴리머는 복합 부품의 양산뿐 아니라 대량 복합 제조의 미래가 될 것”이라고 덧붙였다. "빠른 경화 수지와 프리프레그는 가능하면 몇 초 안에 준비되어야 하는 재료가 필요한 이 접근 방식에 매우 중요합니다."

Swinburne의 미래형 공장 3D 프린팅 및 쾌속 프로토타이핑 시설에서 연구가 진행 중이며 ARC SEAM(ARC Center for Surface Engineering for Advanced Materials)에서 고급 표면 코팅 연구 및 개발이 진행 중입니다.

Hamam은 다음과 같이 말했습니다:"이는 다양한 분야의 역량과 전문성을 결합하여 궁극적으로 복합재 산업의 제조 문제를 해결할 수 있는 기회가 될 것입니다."

전체 결과 및 결과는 ACS Applied Polymer Materials 2020년 7월 10일호에 게재된 전체 논문을 참조하십시오. .