Resin Epoksi Berkelanjutan: Solusi yang Dapat Diproses Ulang, Dapat Diperbaiki, dan Dapat Daur Ulang untuk Aplikasi Komposit Penerbangan

Untuk sebagian besar struktur komposit penerbangan, epoksi termoest telah menjadi resin matriks yang dipilih karena properti mekanis yang tinggi, penyusutan pengeringan rendah dan resistensi terhadap suhu dan kelembaban, yang mencegah degradasi lingkungan selama layanan. Keuntungan ini berasal dari struktur molekular bersilang epoksi yang terbentuk selama pengeringan. Namun, kimia kovalen termoesting ini berarti komposit epoksi yang telah dikeringkan tradisional tidak dapat dengan mudah diubah bentuk, diubah bentuk atau dilarutkan, yang membuat daur ulang dan perbaikan lebih menantang.

Selama dekade terakhir, kimia dinamis telah dikembangkan di mana ikatan kovalen ditukar dan diatur ulang dengan stimulus seperti panas. Disebut sebagai “resin reversibel,” polimer ini memiliki properti termoest di bawah suhu transisi kaca (Tg), namun berperilaku seperti termoplastik pada suhu yang lebih tinggi, seperti 80°C di atas Tg. CIDETEC (Donostia-San Sebastian, Spanyol) adalah organisasi penelitian terapan yang bekerja pada resin semacam itu sejak 2013. Ia telah mematenkan resin dan komposit epoksi yang dapat diproses ulang termo-mekanis berdasarkan pertukaran disulfida aromatik, yang memungkinkan pemrosesan ulang, perbaikan dan daur ulang (teknologi 3R) dari komposit yang telah dikeringkan. CIDETEC kini memimpin 11 mitra dalam proyek Horizon2020 AIRPOXY untuk memajukan teknologi dari tingkat kesiapan teknologi (TRL) 3 ke TRL 5.

Dimulai September 2018, proyek 42 bulan ini akan memajukan proses termoforming komposit 3R untuk produksi volume tinggi, perbaikan komposit 3R yang hemat biaya dan perakitan melalui pengelasan termoest dan perekatan lem yang ditingkatkan. Teknologi ini akan ditampilkan dalam dua demonstrator penerbangan: bagian cangkang kipas komposit dengan kulit RTM dan penguat melintang yang diikat lem pada penguat longitudinal yang termoform; dan bagian tepi depan sayap dengan relong yang termoform yang dilelehat pada kulit yang dibuat menggunakan SQRTM yang sama. CIDETEC juga mengeksplorasi daur ulang bahan dan bagian komposit 3R dan mengevaluasi keuntungan teknologi ini dibandingkan komposit tradisional menggunakan metodologi penilaian siklus hidup (LCA) dan biaya siklus hidup (LCC).

Vitrimer Epoksi 3R

Kimia dinamis dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis: asosiatif dan asosiatif, menjelaskan Alaitz Rekondo, kepala Polimer dan Komposit di CIDETEC. Dia mencatat bahwa dengan kimia asosiatif, silang rusak. “Bahan akan kehilangan integritas dengan termoforming dan daur ulang karena ikatan yang rusak.” CW telah menulis tentang jenis kimia ini melalui resin bersilang termoreversibel Evonik berdasarkan reaksi Diels-Alder dan hardener epoksi Recyclamine Connora, yang memungkinkan pembentukan silang. Dicapai dengan merendam komposit Recyclamine dalam pelarut pH rendah pada suhu yang lebih tinggi, mengonversi resin menjadi epoksi termoplastik sambil membebaskan penguat serat berkelanjutan sehingga baik resin maupun serat dapat digunakan kembali. Catat, Recyclamine diakuisisi pada 2019 oleh Aditya Birla Chemicals (Mumbai, India) dan sekarang digunakan dalam resin epoksi yang dapat didaur ulang Epotec.

Namun, resin 3R CIDETEC berbeda. “Kimia kami asosiatif, jadi silang tidak pernah rusak,” catat Rekondo. “Resin kami adalah vitrimer.” CW memperkenalkan vitrimer dalam artikel Jeff Sloan 2020 tentang Mallinda (Denver, Colo., AS). “Jadi, resin berperilaku seperti termoplastik selama semua pemrosesan,” jelasnya, “karena pertukaran dinamis selama pemanasan — untuk kami ini terjadi pada ikatan disulfida aromatik — tetapi resin selalu tetap termoest. Berbeda dengan banyak vitrimer, resin 3R tidak memerlukan katalis. Tapi kami dapat menggunakan katalis, jika diperlukan, untuk memenuhi persyaratan berbeda untuk siklus pengeringan cepat/snap-cure atau pengeringan pada suhu ruangan.”

CIDETEC memulai penelitian vitrimer dengan bahan elastomer lunak yang mencari properti self-healing. “Kami menggunakan hardener dinamis yang tersedia secara komersial dan kemudian menyadari bahwa itu juga hardener untuk epoksi,” kata Rekondo. Formulasi resin epoksi 3R kelas industri awal menunjukkan properti yang setara dengan epoksi penerbangan saat ini (Fig. 1). “Melihat potensi besar untuk resin yang dapat diproses ulang dan dapat didaur ulang untuk penerbangan, ini sekarang salah satu area penelitian utama kami.”

Nerea Markaide, koordinator proyek AIRPOXY di CIDETEC, menjelaskan bahwa potensi memang besar: termoforming 3R memungkinkan produksi komposit volume tinggi yang jauh lebih cepat dan lebih murah dibandingkan autoclave, perbaikan 3R murah 50% dari metode patch komposit terikat saat ini, pengelasan 3R mengurangi biaya perakitan sebesar 55% dibandingkan perekat saat ini dan perekatan lem 3R lebih kuat dari metode saat ini. Akhirnya, CIDETEC membayangkan keluarga resin dan lem 3R untuk meningkatkan biaya dan keberlanjutan produksi struktur penerbangan komposit.

Prepregging, RTM dan Termoforming

CIDETEC, yang bertanggung jawab atas formulasi resin 3R tingkat penerbangan, mengidentifikasi formulasi resin terbaik untuk uji demonstrasi. Sistem untuk infusi resin atau RTM ini memiliki Tg 170°C kering/150°C basah, viskositas 200 sentipoise pada 70°C dan penyerapan kelembaban rendah (2-3%). Dapat diformulasikan sebagai sistem satu atau dua komponen dengan pengeringan tipikal satu jam pada 130°C dan post-cure 30 menit pada 180°C.

CIDETEC menggunakan formulasi resin 3R ini untuk mengimpregnasi kain five-harness satin (5HS) Chomarat (Le Cheylard, Prancis) yang dibuat dengan serat karbon modulus menengah dalam proses prepreg kontinu. Prepreg ini kemudian digunakan oleh Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW, Kaiserslautern, Jerman) untuk memproduksi laminat 3R datar dan berbentuk 3D multi-lapisan melalui pencetakan kompresi kontinu (CCM).

Laminat 3R juga dibuat menggunakan RTM untuk menginfusi kain 5HS dan satu arah (UD) menggunakan parameter proses yang dioptimalkan untuk resin 3R oleh Eurecat (Barcelona, Spanyol). Ingeniería y Desarrollos en Composites (IDEC, Araba, Spanyol) akan mendemonstrasikan produksi RTM di lingkungan industri menggunakan resin yang sama sambil memulai uji coba untuk menghasilkan kulit RTM dan penguat melintang untuk demonstrator subkomponen cangkang kipas berukuran 0,5 meter x 0,5 meter.

Sementara itu, Coexpair (Namen, Belgia) dan Sonaca (Charleroi, Belgia) akan menggabungkan prepreg epoksi yang ditangguhkan HexPly 8552 Hexcel (Stamford, Conn., AS) dengan film resin 3R — yang akan memungkinkan pengelasan (lihat di bawah) — untuk menghasilkan struktur hidung lengkung untuk demonstrator subkomponen tepi depan panjang 1 meter menggunakan proses SQRTM yang sama.

Kedua laminat 3R datar prepreg dan RTM juga digunakan untuk mendemonstrasikan termoforming. Simulasi yang digunakan didasarkan pada model elemen hingga mikro- dan makroskopis (FEM) yang dikembangkan oleh Altair Engineering (Antony, Prancis), proses pencetakan kompresi diskontinuer (DCM atau stempel) dan CCM yang dioptimalkan IVW untuk bahan 3R. EireComposites (County Galway, Irlandia) menggunakan DCM untuk memproduksi relong dan penguat longitudinal untuk demonstrator sementara IVW memproduksi penguat longitudinal menggunakan CCM. Keduanya menggunakan tekanan sekitar 20 bar sambil memanaskan hingga sekitar 210°C, diikuti dengan pendinginan bagian dalam cetakan tertutup. Pengujian yang dipimpin oleh Eurecat menunjukkan bagian komposit 3R yang termoform memenuhi persyaratan aerokomposit tipis, termasuk konten rongga <2%. Ini juga menemukan kekuatan geser antar-lapisan (ILSS) untuk laminat yang termoform dengan 5HS sekitar 80% (43 MPa) dari bagian RTM (54 MPa).

Perekat, Pengelasan, SHM dan Perbaikan

CIDETEC mereformulasi resin 3R untuk mengoptimalkan perekat dan menghasilkan film lem 3R pertama pada Februari 2020. “Penggunaan resin dinamis baik di substrat maupun perekat,” jelaskan Rekondo, “mencapai ikatan kimia di persimpangan berkat penggabungan ulang ikatan disulfida, yang meningkatkan integritas persimpangan.” IDEC akan mengawasi pengikatan penguat dan kulit menggunakan film lem 3R untuk menghasilkan demonstrator subkomponen cangkang kipas (Fig. 2).

Kimia dinamis resin 3R juga memungkinkan penciptaan ikatan kovalen antara dua laminat komposit 3R saat digabungkan menggunakan panas dan tekanan — yang dijelaskan oleh CIDETEC sebagai pengelasan termoest. Ini akan digunakan oleh EireComposites untuk menggabungkan relong laminat 3R yang dicetak pada hidung SQRTM untuk demonstrator tepi depan sayap (Fig. 3). Parameter pengelasan yang dioptimalkan telah dikembangkan oleh IVW untuk laminat 3R. Secara menonjol, hidung SQRTM yang diproduksi dengan prepreg komersial mengintegrasikan film resin 3R tambahan pada permukaan untuk memungkinkan pengelasan dua jaring. “Proses untuk melakukan pengelasan pada tingkat demonstrator sedang dikaji saat ini,” catat Rekondo.

Dalam paket kerja 4 – pemantauan kesehatan struktural (SHM) dan perbaikan, IVW menyelidiki kemampuan perbaikan cacat, seperti delaminasi dan gerimis pengelasan yang terlepas dalam komposit 3R. Tim memperbaiki delaminasi dengan memanaskan area cacat ke suhu perbaikan 220°C dan memberikan tekanan konsolidasi konstan 20 bar sambil menjaga suhu konstan.

Lab Komposit dan Bahan Cerdas (CSML) di Universitas Ioannina (Ioannina, Yunani) mengevaluasi teknik perbaikan ini sebagai berhasil menggunakan pengujian mekanis dan berbagai teknik evaluasi non destruktif (NDE) termasuk ultrasonik array fase, termografi inframerah, emisi akustik, spektroskopi impedansi dan metode perubahan resistansi listrik (ERCM). Metodologi NDE multi-platform inovatif ini menyediakan deteksi kerusakan yang mendalam dan informasi kunci tentang evolusi proses kerusakan.

Dalam hal efisiensi perbaikan, dari uji ILSS, komposit 3R menunjukkan pemulihan 72% properti mekanis awal setelah perbaikan dan pemulihan ≈90% dalam uji dampak kecepatan rendah pada 9 dan 15 joule energi dampak.

Daur Ulang dan AIRPOXY 2

Meskipun daur ulang tidak diatasi dalam proyek AIRPOXY, CIDETEC telah menunjukkan bahwa sisa dapat digiling dan diubah bentuk, misalnya, menggunakan pencetakan kompresi pada 210°C. Namun, mirip dengan proses yang digunakan oleh Connora, laminat 3R juga dapat direndam dalam larutan yang mengandung agen pengurang ringan yang, seperti yang dijelaskan Rekondo, “mengganggu jaringan dinamis dan oleh karena itu melarutkan resin, memungkinkan untuk diprecipitasi dan dipulihkan sebagai bubuk.” Dia mencatat proses pelarutan dapat dipercepat dengan pemanasan pada suhu hingga 100°C. “Bubuk dapat kemudian digunakan kembali untuk aplikasi komposit kedua, tetapi ini masih dalam penelitian,” kata Rekondo.

“Untuk daur ulang sisa, kami pikir dua hingga tiga siklus akan mungkin,” lanjutnya. “Tapi untuk aplikasi akhir umur nyata, selalu akan ada pengawasan bagian dan degradasi lain dari bahan setelah berada dalam layanan selama bertahun-tahun. Dalam kasus ini, kami pikir tidak lebih dari satu daur ulang akan mungkin. Aplikasi kedua bahan akan OK, tetapi mungkin tidak yang ketiga. Ini adalah bagian dari apa yang kami uji sekarang, pertama untuk resin 3R kelas industri, sementara kami menyelesaikan karakterisasi penuh bahan 3R.”

Kedua demonstrator juga akan selesai tahun ini, kata Markaide. “Kami kemudian akan melanjutkan dengan pengujian mekanisnya, termasuk penilaian kerusakan dan perbaikan. Tujuan kami adalah mencapai TRL 5 pada saat kami selesai pada 2022.” Dan kemudian apa? “Kami berencana untuk memiliki proyek lain, AIRPOXY Bagian II,” katanya, “untuk terus mengoptimalkan pemrosesan dan melanjutkan dengan karakterisasi mekanis, serta validasi dan sertifikasi bahan dan proses. Kami membutuhkan proyek kedua untuk mendorong teknologi ke pasar.”

Kemampuan untuk termoforming dan melelehat bagian penerbangan epoksi sepertinya teknologi yang praktis dibuat untuk mobilitas udara perkotaan. “Kami harus berpikir sekarang bagaimana menyediakan apa yang akan dibutuhkan oleh sektor-sektor itu,” tambah Markaide, mencatat bahwa peta jalan komersialisasi akan memang menjadi salah satu deliverable dalam AIRPOXY Bagian I. “Daur ulang juga adalah solusi yang diperlukan yang belum diperlukan untuk komposit, tetapi akan di masa depan. Kami ingin siap.”