Formulações de epóxi multifuncionais mostram potencial para a futura fabricação de compósitos

Dr. Nishar Hameed, pesquisador sênior da Swinburne University of Technology, segurando um protótipo de tela impressa em 3D na Swinburne’s Factory of the Future. Crédito da foto:Swinburne University of Technology

Um desafio para a impressão 3D composta e outros processos de manufatura para continuar aumentando a escala para aplicações de maior volume é o tempo que leva para curar as peças compostas. A pesquisa em um sistema de matriz de resina com aditivo de cura rápida pode fornecer uma solução.

Um estudo publicado recentemente por pesquisadores da Swinburne University of Technology (Melbourne, Austrália) em colaboração com pesquisadores da Deakin University (Geelong, Austrália) analisou o uso de líquidos iônicos solvatos (SIL) - aditivos que combinam um solvente com um sal de metal - como um catalisador para permitir tempos de cura mais rápidos e temperaturas de cura mais baixas para resinas epóxi. De acordo com o artigo, outros tipos de líquidos iônicos já são usados ​​como aditivos em plásticos há algum tempo, mas os SILs são uma classe relativamente nova desses líquidos e ainda estão sendo estudados.

Fig 1. Perfis reológicos de cura de cura de epóxi usando várias cargas de aditivo líquido iônico. (Nishar Hameed et al., ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 2651-2657) Copyright 2020, American Chemical Society.
Crédito da foto:Swinburne University of Technology
Para este estudo, os pesquisadores adicionaram diferentes quantidades por peso (de 1% a 20%) de SILs, em combinação com um endurecedor, em uma matriz de epóxi e aquecida até o ponto de fusão. O artigo relata que o sistema epóxi sem aditivos curou em aproximadamente 31 minutos a 100 ° C; a adição de apenas 1% em peso de aditivos SIL resultou em uma redução de 80% no tempo de cura, e menor para quantidades maiores de SIL (ver Fig. 1). De acordo com o estudo, esse tipo de resina epóxi aprimorada mostra potencial para permitir impressão 3D mais rápida e em maior volume e outros processos de fabricação de compósitos.

Além disso, o tempo de cura mais rápido não foi a única propriedade observada pela equipe de pesquisa em epóxi aprimorado com SIL. De acordo com o Dr. Nishar Hameed de Swinburne, um pesquisador sênior que liderou o projeto e é um dos autores do artigo, este projeto surgiu de uma pesquisa na qual ele vem trabalhando há mais de 10 anos, investigando as interações de líquidos iônicos com resinas epóxi e outros polímeros. Em sua pesquisa inicial, Hameed e sua equipe não estavam procurando um tempo de cura rápido, mas descobriram que o aumento de líquido iônico transformava polímeros epóxi tradicionalmente frágeis em um material flexível e moldável (ver Fig. 2).

“Descobrimos que o epóxi pode se comportar como um termoplástico flexível e dúctil à temperatura ambiente e também como um elastômero elástico”, diz Hameed. “Usando uma abordagem experimental e teórica, identificamos o mecanismo de transferência reversível de carga permitindo que a rede epóxi seja flexível.” (Ver Fig. 3.)

Com base nessa descoberta, Hameed e sua equipe em Swinburne colaboraram com a equipe do Dr. Luke Henderson na Deakin University para investigar se os líquidos iônicos solvatos mostraram propriedades de flexibilidade semelhantes.

Fig. 3. As propriedades mecânicas de tração dos termofixos dúcteis multifuncionais inteligentes em várias concentrações de IL e sua aparência física e comportamento à temperatura ambiente; duro e quebradiço (10%), dúctil e flexível (30%) e extensível e elastomérico (50%). (Nishar Hameed etal, Chem. Commun., 2015, 51, 9903--9906)
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“A descoberta do comportamento de cura rápida em epóxi com líquido iônico solvato foi fortuita”, admite Hameed. Os pesquisadores perceberam desde os primeiros testes que o processo estava "indo muito rápido", diz ele, o que significa que os epóxis estavam curando muito mais rápido do que o normal e mais do que o previsto. “Tivemos então que trabalhar com uma variedade de líquidos iônicos, diferentes concentrações e condições de processo para ajustar o mecanismo de comportamento de cura rápida e propriedades físicas associadas”, diz ele.

“Houve um aumento de 72 vezes na taxa de cura para nossa nova formulação de resina em comparação com a resina de referência”, diz ele, “e em algumas composições a reação foi [tão] extremamente rápida que não fomos capazes de medi-la. A cura foi concluída antes que pudéssemos fazer qualquer teste. ”

Significativamente, acrescenta Hameed, essa abordagem não apenas aumenta a taxa de cura, mas também reduz a temperatura de cura da resina, apontando para uma economia potencial de energia nos processos de fabricação que usam essa matriz.

Aplicações futuras na fabricação de compósitos de alto volume

Pesquisas adicionais ainda são necessárias antes que essas resinas estejam prontas para sair do laboratório. “Antes de entrar no mercado comercial, temos que enfrentar alguns dos desafios fundamentais associados à rápida fabricação de materiais. Por exemplo, em compósitos de cura rápida, as reações de reticulação de epóxi ocorrem em segundos com ciclos rápidos de aquecimento-resfriamento e processos de moldagem-desmoldagem, levando a tensões induzidas pelo processo ”, diz Hameed.

Para resolver esses problemas, ele e sua equipe estão trabalhando em uma abordagem baseada em modelagem experimental e computacional combinada para identificar e mitigar quaisquer imperfeições. “Isso é crítico para a integridade e eficiência das estruturas compostas e os processos de fabricação associados”, diz ele.

No futuro, Hameed vê potencial para epóxis de cura rápida e aprimorados com SIL na fabricação de aditivos compostos, que ele diz ser frequentemente prejudicada pelo processamento lento do material, um desafio facilmente resolvido pelas resinas de cura rápida. “Estamos desenvolvendo formulações que podem ser solidificadas em questão de segundos com a técnica estereolitográfica e, assim, agilizar o tempo de produção das peças”, acrescenta.

Outros processos de fabricação de compósitos em avaliação incluem infusão, moldagem por transferência de resina (RTM) e outras formas de automação, bem como adaptação para sistemas pré-impregnados e uso em tintas à base de epóxi de secagem rápida, revestimentos de superfície e dimensionamento. A flexibilidade dos sistemas de resina também permitirá o uso em termoformação, diz Hameed, que normalmente é difícil para laminados compostos à base de termofixos.

“Prevê-se que a manufatura aditiva (incluindo automação de compósitos) junto com polímeros de processamento rápido será o futuro da manufatura de compósitos em alto volume, bem como da produção em série de peças de compósitos”, acrescenta. “Resinas de cura rápida e pré-impregnados são essenciais para essa abordagem, em que precisamos de materiais que devem estar prontos em questão de segundos, se possível.”

A pesquisa está em andamento na Fábrica do Futuro de Swinburne, impressão 3D e instalação de prototipagem rápida, juntamente com pesquisa e desenvolvimento de revestimento de superfície avançado no Centro ARC para Engenharia de Superfície para Materiais Avançados (ARC SEAM).

Hameed diz:“Esta será uma oportunidade de reunir recursos e experiência de muitas áreas diferentes, em última análise, para enfrentar os desafios de manufatura para indústrias de compósitos.”

Para os resultados e conclusões completos, consulte o artigo completo, publicado na edição de 10 de julho de 2020 da ACS Materiais Polímeros Aplicados .