Resinas epoxi avanzadas abren camino a la fabricación de compuestos de alto volumen

El Dr. Nishar Hameed, investigador senior en la Universidad de Tecnología Swinburne, sosteniendo un prototipo de pantalla 3D impresa en la Factory of the Future de Swinburne. Crédito: Universidad de Tecnología Swinburne.

Uno de los desafíos para la impresión 3D de compuestos y otros procesos de fabricación para seguir escalando a aplicaciones de mayor volumen es el tiempo que lleva curar las piezas compuestas. La investigación en un sistema de matriz de resina mejorado con aditivos de curado rápido puede proporcionar una solución.

Un estudio publicado recientemente por investigadores de la Universidad de Tecnología Swinburne (Melbourne, Australia) en colaboración con la Universidad Deakin (Geelong, Australia) analizó el uso de líquidos iónicos solvatados (SIL) —aditivos que combinan un solvente con una sal metálica— como catalizador para permitir tiempos de curado más rápidos y temperaturas de curado más bajas para resinas epoxi. Según el artículo, otros tipos de líquidos iónicos se han usado como aditivos en plásticos desde hace tiempo, pero los SIL son una clase relativamente nueva que aún se está estudiando.

Para este estudio, los investigadores añadieron diferentes cantidades en peso (del 1 % al 20 %) de SIL, en combinación con un endurecedor, en una matriz epoxi y calentaron hasta el punto de fusión. El artículo reporta que el sistema epoxi sin aditivos curó 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 aún menor para mayores cantidades de SIL (ver Fig. 1). Según el estudio, este tipo de resina epoxi mejorada muestra potencial para permitir impresión 3D y otros procesos de fabricación de compuestos más rápidos y de mayor volumen.

Además, el tiempo de curado 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 senior que lideró el proyecto y es autor del artículo, este proyecto surgió de una investigación que lleva 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 curado rápido, sino que descubrieron que la mejora con líquidos iónicos transformaba los polímeros epoxi tradicionalmente frágiles en un material flexible y moldeable (ver Fig. 2).

«Descubrimos que el epoxi puede comportarse como un termoplástico dúctil y flexible a temperatura ambiente, y también como un elastómero estirable», dice Hameed. «Usando enfoques experimental y teórico, identificamos el mecanismo de transferencia de carga reversible que permite que la red epoxi sea flexible». (Ver Fig. 3.)

Basándose en 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 solvatados mostraban propiedades de flexibilidad similares.

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

«Hubo un aumento de 72 veces en la velocidad de curado para nuestra nueva formulación de resina comparada 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 poder hacer cualquier prueba».

Significativamente, añade Hameed, este enfoque no solo aumenta la velocidad de curado, sino que también reduce la temperatura de curado de la resina, apuntando a posibles ahorros energéticos en procesos de fabricación que usen esta matriz.

Aplicaciones futuras en fabricación de compuestos de alto volumen

Se necesita investigación adicional antes de que estas resinas estén listas para salir del laboratorio. «Antes de entrar en vías comerciales, debemos abordar algunos desafíos fundamentales asociados con la fabricación rápida de materiales. Por ejemplo, en compuestos de curado rápido, las reacciones de reticulación del epoxi ocurren en segundos con ciclos rápidos de calentamiento-enfriamiento y moldeo-desmoldeo, lo que genera tensiones inducidas por el proceso», dice Hameed.

Para resolver estos problemas, él y su equipo trabajan en un enfoque combinado de modelado computacional y experimental para identificar y mitigar imperfecciones. «Esto es crítico para la integridad y 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 fabricación aditiva de compuestos, que a menudo se ve obstaculizada por el procesamiento lento de materiales, un desafío fácilmente abordado por resinas de curado rápido. «Estamos desarrollando formulaciones que pueden solidificarse en cuestión de segundos usando técnica estereolitográfica y así acelerar el tiempo de producción de piezas», añade.

Otros procesos de fabricación de compuestos en evaluación incluyen infusión, moldeo por transferencia de resina (RTM) y otras formas de automatización, así como adaptación para sistemas prepreg, y uso en pinturas, recubrimientos superficiales y aprestos de secado rápido basados en epoxi. La flexibilidad de los sistemas de resina también permitirá su uso en termoformado, dice Hameed, que es típicamente difícil para laminados compuestos basados en termofijos.

«La fabricación aditiva (incluyendo automatización de compuestos) junto con polímeros de procesamiento rápido se prevé como el futuro de la fabricación de compuestos de alto volumen así como de la producción en serie de piezas compuestas», añade. «Resinas y prepregs de curado rápido son críticos para este enfoque donde necesitamos materiales que deben estar listos en cuestión de segundos, si es posible».

La investigación continúa en la Factory of the Future de impresión 3D y prototipado rápido de Swinburne, junto con investigación y desarrollo avanzado de recubrimientos superficiales en el ARC Centre for Surface Engineering for Advanced Materials (ARC SEAM).

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

Para los resultados y hallazgos completos, ver el artículo completo, publicado en la edición del 10 de julio de 2020 de ACS Applied Polymer Materials.