FP聚合工艺,半个世纪来高性能塑料和复合材料制造业降低能耗的第一次重大进步

在推动增材制造技术的进步过程中,普遍的关注点在于提升工艺速度、实现更大的构建尺寸以及更高的精度。而作为下一代制造系统的开发中可能没有得到足够重视的一个因素是能源消耗。

伊利诺伊大学的一个研究小组正在研究一个名为Frontal Polymerization(FP)的新型聚合物固化工艺的开发,该工艺可以显著降低固化过程中能量的消耗。这项研究发表在自然杂志上(journal Nature)。

根据伊利诺伊大学,FP聚合工艺可用于为汽车和航空航天领域生产强度高、耐热的部件,能够使用比现有系统低10个数量级的能量来固化聚合物,并可将生产时间缩短两个数量级。

根据伊利诺伊大学斯科特·怀特教授,这项工艺标志着近半个世纪以来可能成为高性能聚合物和复合材料制造业的第一次重大进步,一直以来用于制造飞机和汽车的材料需要具有优异的热性能和机械性能,但制造过程在时间、能量和环境影响方面都很昂贵。伊利诺伊大学的目标是减少能量消耗并提高产量。

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图片:伊利诺伊大学项目团队:Philippe Geubelle, Scott White, Nancy Sottos, 以及Jeffrey Moore

FP聚合工艺使用一种小型热源短暂地与聚合物表面的尖端接触。通过发出“硬化波”,有效地固化聚合物。更确切地说,通过将接触聚合物,开始“级联化学反应”。固化一旦被触发,通过焓变或聚合反应的内部能量推动反应向前并继续固化材料,而不是通过外部能源来实现固化。

伊利诺伊大学的研究人员将他们的聚合物固化过程与飞机制造商使用的现有固化系统进行了比较,以显示新工艺的能效如何。目前,研究人员表示大型商用客机的塑料零件通过超过96,000千瓦时的能源,并产生超过80吨的二氧化碳从而制造出来。从这个角度来看,它与一年中九户家庭消费的能源大致相同。

相比之下,FP聚合工艺可以大幅降低能耗和整体固化时间,到目前为止,该团队已经证明该技术适用于在受控环境下生产安全和高质量的零件。

当然,在FP聚合工艺商业化之前,还有很多工作要做,因为研究人员希望确保固化聚合物部件的质量达到标准。改进聚合物固化技术的关键部分将取决于如何精确的控制“释放”聚合物树脂中储存的能量。

根据正在从事该项目的材料科学和工程教授Nancy Sottos,目前可以通过触发不止一个点的硬化反应来提高制造速度,但这需要非常小心地控制。否则,两次反应波的会合点可能会形成热尖峰,造成可能随时间推移而带来降解材料的缺陷。

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