Formulasi epoksi multifungsi menunjukkan potensi untuk pembuatan komposit masa depan
Dr. Nishar Hameed, peneliti senior di Universitas Teknologi Swinburne, memegang prototipe layar cetak 3D di Pabrik Masa Depan Swinburne. Kredit Foto:Universitas Teknologi Swinburne
Salah satu tantangan untuk pencetakan 3D komposit dan proses manufaktur lainnya untuk terus meningkatkan hingga aplikasi volume yang lebih tinggi adalah waktu yang dibutuhkan untuk menyembuhkan bagian komposit. Penelitian tentang sistem matriks resin yang disempurnakan dengan cepat dan aditif dapat memberikan satu solusi.
Sebuah studi baru-baru ini diterbitkan dari para peneliti di Swinburne University of Technology (Melbourne, Australia) bekerja sama dengan para peneliti di Deakin University (Geelong, Australia) melihat penggunaan cairan ion solvat (SIL) - aditif yang menggabungkan pelarut dengan garam logam - sebagai katalis untuk memungkinkan waktu penyembuhan yang lebih cepat dan suhu penyembuhan yang lebih rendah untuk resin epoksi. Menurut makalah tersebut, jenis cairan ionik lain telah digunakan sebagai aditif dalam plastik untuk beberapa waktu, tetapi SIL adalah kelas yang relatif baru dari cairan ini dan masih dipelajari.
Gambar 1. Profil reologi pengawetan epoksi menggunakan berbagai pembebanan aditif cair ionik. (Nishar Hameed dkk., ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 2651−2657) Hak Cipta 2020, American Chemical Society.
Kredit Foto:Universitas Teknologi Swinburne
Untuk studi ini, para peneliti menambahkan jumlah berat yang berbeda (dari 1% hingga 20%) SIL, dalam kombinasi dengan pengeras, ke dalam matriks epoksi dan dipanaskan hingga titik leleh. Makalah ini melaporkan bahwa sistem epoksi tanpa aditif sembuh dalam waktu sekitar 31 menit pada 100 °C; penambahan hanya 1% berat aditif SIL menghasilkan pengurangan 80% dalam waktu penyembuhan, dan lebih rendah untuk jumlah SIL yang lebih besar (lihat Gambar 1). Menurut penelitian, jenis resin epoksi yang disempurnakan ini menunjukkan potensi untuk memungkinkan pencetakan 3D volume tinggi yang lebih cepat dan proses pembuatan komposit lainnya.
Selain itu, waktu penyembuhan yang lebih cepat bukan satu-satunya sifat yang diamati oleh tim peneliti dalam epoksi yang ditingkatkan SIL. Menurut Dr. Nishar Hameed dari Swinburne, peneliti senior yang memimpin proyek dan penulis makalah, proyek ini berkembang dari penelitian yang telah ia kerjakan selama lebih dari 10 tahun, menyelidiki interaksi cairan ionik dengan resin epoksi. dan polimer lainnya. Dalam penelitian awalnya, Hameed dan timnya sama sekali tidak mencari waktu penyembuhan yang cepat, tetapi menemukan bahwa peningkatan cairan ionik mengubah polimer epoksi yang rapuh secara tradisional menjadi bahan yang fleksibel dan dapat dibentuk (lihat Gambar 2).
“Kami menemukan epoksi dapat berperilaku seperti suhu kamar, termoplastik fleksibel, ulet, dan juga seperti elastomer yang dapat diregangkan,” kata Hameed. “Menggunakan pendekatan eksperimental dan teoretis, kami mengidentifikasi mekanisme transfer muatan yang dapat dibalik yang memungkinkan jaringan epoksi menjadi fleksibel.” (Lihat Gambar 3.)
Berdasarkan temuan ini, Hameed dan timnya di Swinburne bekerja sama dengan tim Dr. Luke Henderson di Universitas Deakin untuk menyelidiki apakah cairan ion solvat menunjukkan sifat fleksibilitas yang serupa.
Gambar. 3. Sifat mekanik tarik dari termoset ulet multifungsi yang cerdas pada berbagai konsentrasi IL dan penampilan fisik serta perilakunya pada suhu kamar; keras &rapuh (10%), ulet dan fleksibel (30%) dan merenggang dan elastomer (50%). (Nishar Hameed dkk, Chem. Commun., 2015, 51, 9903--9906)
Kredit Foto:Universitas Teknologi Swinburne
“Penemuan perilaku penyembuhan cepat dalam epoksi dengan cairan ion solvat adalah kebetulan,” Hameed mengakui. Para peneliti menyadari dari percobaan pertama bahwa prosesnya berjalan "terlalu cepat," katanya, yang berarti epoksi sembuh lebih cepat dari biasanya, dan lebih dari yang diantisipasi. “Kami kemudian harus bekerja dengan berbagai cairan ionik, konsentrasi berbeda, dan kondisi proses untuk menyesuaikan mekanisme perilaku pengawetan cepat dan sifat fisik terkait,” katanya.
“Ada peningkatan 72 kali lipat dalam tingkat penyembuhan untuk formulasi resin baru kami dibandingkan dengan resin patokan,” katanya, “dan dalam beberapa komposisi reaksinya [begitu] sangat cepat sehingga kami tidak dapat mengukurnya. Proses curing selesai sebelum kami dapat melakukan pengujian apa pun.”
Secara signifikan, Hameed menambahkan, pendekatan ini tidak hanya meningkatkan tingkat curing, tetapi juga mengurangi suhu curing resin, yang menunjukkan potensi penghematan energi dalam proses manufaktur menggunakan matriks ini.
Aplikasi masa depan dalam pembuatan komposit volume tinggi
Penelitian tambahan masih diperlukan sebelum resin ini siap untuk meninggalkan lab. “Sebelum melangkah ke jalur komersial, kita harus mengatasi beberapa tantangan mendasar yang terkait dengan manufaktur material yang cepat. Misalnya, dalam komposit dengan proses penyembuhan cepat, reaksi ikatan silang epoksi terjadi dalam hitungan detik dengan siklus pemanasan-pendinginan yang cepat dan proses pencetakan-demolding, yang mengarah pada tekanan yang diinduksi oleh proses,” kata Hameed.
Untuk mengatasi masalah ini, ia dan timnya sedang mengerjakan pendekatan berbasis pemodelan eksperimental dan komputasi gabungan untuk mengidentifikasi dan mengurangi ketidaksempurnaan apa pun. “Ini sangat penting untuk integritas dan efisiensi struktur komposit dan proses manufaktur terkait,” katanya.
Di masa depan, Hameed melihat potensi SIL yang disempurnakan, epoksi cepat sembuh dalam manufaktur aditif komposit, yang katanya sering terhambat oleh pemrosesan material yang lambat, tantangan yang mudah diatasi oleh resin cepat sembuh. “Kami sedang mengembangkan formulasi yang dapat dipadatkan dalam hitungan detik menggunakan teknik stereolitografi dan dengan demikian mempercepat waktu produksi paruh waktu,” tambahnya.
Proses manufaktur komposit lainnya yang sedang dievaluasi termasuk infus, resin transfer moulding (RTM) dan bentuk otomatisasi lainnya, serta menyesuaikan untuk sistem prepreg, dan digunakan dalam cat berbasis epoksi yang cepat kering, pelapis permukaan dan ukuran. Fleksibilitas sistem resin juga akan memungkinkan penggunaan dalam thermoforming, kata Hameed, yang biasanya sulit untuk laminasi komposit berbasis termoset.
“Manufaktur aditif (termasuk otomatisasi komposit) bersama dengan polimer yang dapat diproses secara cepat diprediksi menjadi masa depan manufaktur komposit volume tinggi serta produksi seri suku cadang komposit,” tambahnya. “Resin dan prepreg penyembuhan cepat sangat penting untuk pendekatan ini di mana kami membutuhkan bahan yang harus siap dalam hitungan detik, jika memungkinkan.”
Penelitian sedang berlangsung di fasilitas pencetakan 3D dan pembuatan prototipe cepat Pabrik Swinburne, bersama dengan penelitian dan pengembangan pelapisan permukaan lanjutan di ARC Center for Surface Engineering for Advanced Materials (ARC SEAM).
Hameed mengatakan:“Ini akan menjadi kesempatan untuk menyatukan kemampuan dan keahlian dari berbagai bidang, pada akhirnya untuk mengatasi tantangan manufaktur bagi industri komposit.”
Untuk hasil dan temuan lengkap, lihat makalah lengkap, yang diterbitkan dalam ACS Materi Polimer Terapan edisi 10 Juli 2020 .
