Las fórmulas epoxi multifuncionales muestran potencial para la fabricación de compuestos en el futuro

El Dr. Nishar Hameed, investigador principal de la Universidad Tecnológica de Swinburne, sostiene un prototipo de pantalla impresa en 3D en la Fábrica del Futuro de Swinburne. Crédito de la foto:Universidad Tecnológica de Swinburne

Un desafío para la impresión 3D compuesta y otros procesos de fabricación para continuar escalando a aplicaciones de mayor volumen es el tiempo que lleva curar las piezas compuestas. La investigación de un sistema de matriz de resina mejorada con aditivos de curado rápido puede proporcionar una solución.

Un estudio publicado recientemente por investigadores de la Universidad Tecnológica de Swinburne (Melbourne, Australia) en colaboración con investigadores de la Universidad de Deakin (Geelong, Australia) analizó el uso de líquidos iónicos solvatos (SIL), aditivos que combinan un disolvente con una sal metálica, como un catalizador para permitir tiempos de curado más rápidos y temperaturas de curado más bajas para las resinas epoxi. Según el documento, otros tipos de líquidos iónicos se han utilizado como aditivos en plásticos durante algún tiempo, pero los SIL son una clase relativamente nueva de estos líquidos y aún se están estudiando.

Fig 1. Curado de perfiles reológicos de curado epoxi usando varias cargas de aditivo líquido iónico. (Nishar Hameed et al., ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 2651−2657) Copyright 2020, American Chemical Society.

Crédito de la foto:Universidad Tecnológica de Swinburne

Para este estudio, los investigadores agregaron diferentes cantidades en peso (desde 1% hasta 20%) de SIL, en combinación con un endurecedor, en una matriz epoxi y se calentó hasta el punto de fusión. El documento informa que el sistema epoxi sin aditivos cura en aproximadamente 31 minutos a 100 ° C; la adición de solo 1% en peso de aditivos SIL resultó en una reducción del 80% en el tiempo de curado, y menor para cantidades mayores de SIL (ver Fig. 1). Según el estudio, este tipo de resina epoxi mejorada muestra potencial para permitir una impresión 3D más rápida y de mayor volumen y otros procesos de fabricación de compuestos.

Además, un tiempo de curado más rápido no fue la única propiedad observada por el equipo de investigación en el epoxi mejorado con SIL. Según el Dr. Nishar Hameed de Swinburne, investigador principal que dirigió el proyecto y es autor del artículo, este proyecto surgió de una investigación en la que ha estado trabajando durante más de 10 años, investigando las interacciones de líquidos iónicos con resinas epoxi. y otros polímeros. En su investigación inicial, Hameed y su equipo no buscaban en absoluto un tiempo de curado rápido, pero descubrieron que la mejora del líquido iónico transformaba los polímeros epoxi tradicionalmente frágiles en un material flexible y moldeable (consulte la Fig. 2).

“Descubrimos que el epoxi puede comportarse como un termoplástico dúctil, flexible y a temperatura ambiente, y también como un elastómero estirable”, dice Hameed. "Utilizando un enfoque experimental y teórico, identificamos el mecanismo de transferencia de carga reversible que permite que la red de epoxi sea flexible". (Vea la Fig. 3.)

Sobre la base de este hallazgo, Hameed y su equipo en Swinburne colaboraron con el equipo del Dr. Luke Henderson en la Universidad Deakin para investigar si los líquidos iónicos solvatos mostraban propiedades de flexibilidad similares.

Fig. 3. Las propiedades mecánicas de tracción de los termoestables dúctiles dúctiles inteligentes y multifuncionales a diversas concentraciones de IL y su apariencia física y comportamiento a temperatura ambiente; duro y quebradizo (10%), dúctil y flexible (30%) y estirable y elastomérico (50%). (Nishar Hameed y otros, Chem. Commun., 2015, 51, 9903--9906)

Crédito de la foto:Universidad Tecnológica de Swinburne

“El descubrimiento del comportamiento de curado rápido en epoxi con líquido iónico solvato fue fortuito”, admite Hameed. Los investigadores se dieron cuenta desde los primeros ensayos de que el proceso iba "demasiado rápido", dice, lo que significa que los epoxis se curaban mucho más rápido de lo normal y más de lo previsto. “Luego tuvimos que trabajar con una variedad de líquidos iónicos, diferentes concentraciones y condiciones de proceso para adaptar el mecanismo del comportamiento de curado rápido y las propiedades físicas asociadas”, dice.

“Hubo un aumento de 72 veces en la tasa de curado para nuestra nueva formulación de resina en comparación con la resina de referencia”, dice, “y en algunas composiciones la reacción fue [tan] extremadamente rápida que no pudimos medirla. El curado se completó antes de que pudiéramos hacer ninguna prueba ".

Significativamente, agrega Hameed, este enfoque no solo aumenta la velocidad de curado, sino que también reduce la temperatura de curado de la resina, lo que apunta a posibles ahorros de energía en los procesos de fabricación que utilizan esta matriz.

Aplicaciones futuras en la fabricación de compuestos de gran volumen

Aún se necesitan más investigaciones antes de que estas resinas estén listas para salir del laboratorio. “Antes de entrar en caminos comerciales, tenemos que abordar algunos de los desafíos fundamentales asociados con la fabricación rápida de materiales. Por ejemplo, en compuestos de curado rápido, las reacciones de reticulación epoxi ocurren en segundos con ciclos rápidos de calentamiento-enfriamiento y procesos de moldeo-desmoldeo, lo que lleva a tensiones inducidas por el proceso ”, dice Hameed.

Para resolver estos problemas, él y su equipo están trabajando en un enfoque combinado basado en modelos experimentales y computacionales para identificar y mitigar cualquier imperfección. "Esto es fundamental para la integridad y la eficiencia de las estructuras compuestas y los procesos de fabricación asociados", dice.

En el futuro, Hameed ve potencial para epoxis de curado rápido mejorados con SIL en la fabricación de aditivos compuestos, que, según él, a menudo se ve obstaculizada por el procesamiento lento de materiales, un desafío que se resuelve fácilmente con las resinas de curado rápido. “Estamos desarrollando formulaciones que pueden solidificarse en cuestión de segundos mediante la técnica estereolitográfica y así acelerar el tiempo de producción de la pieza”, agrega.

Otros procesos de fabricación de compuestos en evaluación incluyen infusión, moldeo por transferencia de resina (RTM) y otras formas de automatización, así como la adaptación para sistemas preimpregnados y su uso en pinturas de secado rápido a base de epoxi, recubrimientos de superficies y encolado. La flexibilidad de los sistemas de resina también permitirá su uso en el termoformado, dice Hameed, que suele ser difícil para los laminados compuestos de base termoendurecible.

“Se prevé que la fabricación aditiva (incluida la automatización de compuestos) junto con los polímeros procesables rápidamente será el futuro de la fabricación de compuestos de alto volumen, así como de la producción en serie de piezas compuestas”, añade. “Las resinas y los preimpregnados de curado rápido son fundamentales para este enfoque en el que necesitamos materiales que deben estar listos en cuestión de segundos, si es posible”.

La investigación está en curso en la planta de Swinburne's Factory of the Future de impresión 3D y creación rápida de prototipos, junto con la investigación y el desarrollo avanzados de revestimiento de superficies en el Centro ARC de Ingeniería de Superficies para Materiales Avanzados (ARC SEAM).

Hameed dice:"Esta será una oportunidad para reunir capacidades y experiencia de muchas áreas diferentes, en última instancia para abordar los desafíos de fabricación para las industrias de compuestos".

Para conocer los resultados y los hallazgos completos, consulte el documento completo, que se publicó en la edición del 10 de julio de 2020 de ACS Applied Polymer Materials .