對于復合材料的3D打印和其他制造工藝來說，若想不斷擴大制造尺度和規模以適應更大更廣泛的應用量，工業界面臨的重要挑戰之一就是固化復合材料零部件所需的時間過長。對于如何進行快速固化，工業界已經進行了諸多嘗試，添加劑強化的樹脂基體研究可能會提供一種有效解決方案。

　　澳大利亞斯威本科技大學與迪肯大學的研究人員近發表的一項新的研究成果，重點研究了一種溶劑化離子液體（SIL）的使用。SIL是一種將溶劑與金屬鹽結合在一起的添加劑，其應用將作為催化劑，加快環氧樹脂的固化速度并降低固化溫度。根據研究人員發表的論文顯示，經過一段時間的研究，其他類型的離子液體也已用作塑料中的添加劑，但是這種SIL則是相對較新的一類離子液體，并且目前仍在研究中。

　　在這項研究中，研究人員將不同質量分數（從1%到20%）的SIL與硬化劑一起添加到環氧樹脂基體中，并加熱至固溶點。結果顯示，不含任何添加劑的環氧樹脂體系在100℃的加熱溫度下約31分鐘內完全固化。而僅添加1%質量分數的SIL添加劑，就可以減少80%的固化時間。加入更多的SIL還可以進一步縮短固化時間（見圖1）。這項研究表明，這種增強型環氧樹脂具有實現更快、更高產量的3D打印和其他復合材料制造工藝的潛力。

　　此外，擁有更快的固化時間并不是該研究團隊在SIL增強環氧樹脂中觀察到的唯一性能。該項目負責人表示，該項目源于其過去10多年來一直從事的研究工作——離子液體與環氧樹脂和其他聚合物間的相互作用。在早期的研究中，研究人員與研究團隊并沒有在減少固化時間方面尋求突破，而是先發現了離子液體增強劑能夠將傳統的脆性環氧聚合物改良為柔性和可成型的材料（見圖2）。

　　圖2左圖顯示，施加較小的力可以彎曲和扭轉柔性彈性體環氧樹脂，在撤去外力后，環氧樹脂可恢復原始形狀。右圖顯示，經過改良的柔性熱固性環氧樹脂斷裂伸長率達到了280%

　　研究人員表示，經過離子液體添加劑改良的環氧樹脂，其性能類似于在室溫條件下柔性可延展的熱塑性塑料，也類似于可拉伸的彈性體。通過實驗和理論研究方法的印證，研究人員確定了可逆電荷轉移機制，從而使環氧樹脂體系變得靈活（見圖3）

　　在這一發現的基礎上，研究團隊與迪肯大學的團隊合作，研究了溶劑化離子液體是否能夠展現出類似的柔韌性。

　　圖3表示含有不同離子液體濃度的智能多功能延展性熱固性塑料，其拉伸機械性能及其在室溫下的物理性能表現和行為。其中離子液體濃度為10%時表現為“硬而脆”，30%時表現處優良的柔韌性，在50%時表現出出眾的可拉伸和彈性。

　　研究人員表示，發現經溶劑化離子液體改良環氧樹脂具有快速固化的行為是偶然的。研究人員在早期的試驗過程中發現環氧樹脂的固化速度比傳統情況快得多，遠遠超出了預期。為了進一步探究這一現象，研究人員使用不同類型離子液體，不同濃度和工藝條件的例子液體，進一步調整環氧樹脂的快速固化行為和相關物理性能，探究其機理。

　　研究結果顯示，與不含任何添加劑的環氧樹脂相比，新的樹脂配方固化速率提高了72倍，甚至在某些組分中，反應非常快，以至于無法對其進行準確測量，在進行任何測試之前固化就已經完成。

　　值得一提的是，這種方法不僅提高了固化速度，而且還進一步降低了環氧樹脂的固化溫度，這表明在使用該樹脂基體的制造過程中可節省能源。

　　新樹脂未來有望在大批量復合材料制造中取得應用

　　這種改良型環氧樹脂在離開實驗室轉化應用前，目前仍需要開展其他大量的研究工作，解決與快速材料制造相關的一些困難與基本挑戰。例如，在快速固化的復合材料中，環氧樹脂交聯反應會在幾秒鐘內伴隨著快速加熱-冷卻循環和成型-脫模過程發生，在這一過程中可能導致內部產生多余應力，形成結構缺陷。

　　為了解決這些問題，團隊正在利用實驗和計算模型的組合方法，識別和減輕任何可能在環氧樹脂固化后結構中出現的缺陷。這項工作對于復合材料結構以及相關制造工藝的完整性和效率至關重要。

　　未來，團隊認為，在復合材料增材制造中，使用SIL增強的快速固化環氧樹脂具有廣泛應用潛力。傳統環氧基復合材料往往由于材料固化過程緩慢而影響制造效率，而可快速固化的環氧樹脂可有效解決這一難題。研究人員正在開發能夠通過立體光刻技術實現在幾秒鐘內結構固化的配方，從而加快了零部件生產速度。

　　正在評估中的其他復合材料制造工藝包括灌注成形、樹脂傳遞模塑（RTM）和其他形式的自動化制造工藝。同時還針對預浸料體系的開展了定制化的工藝研究，在快速干燥、環氧涂料、表面涂料和施膠等方面也進行了探索。研究人員表示，新樹脂體系帶來的柔韌性還可以用于熱成型，這對于熱固性復合材料層壓板材來說往往很難實現。

　　研究人員表示，增材制造技術（包括復合材料自動化制造技術）以及可快速加工的聚合物，預計將稱為實現大批量復合材料制造以及復合材料零部件批量生產的未來?？焖俟袒瘶渲皖A浸料對于實現上述技術至關重要，在未來工廠中，為進一步提高生產效率，必須要在幾秒鐘內將生產材料準備就緒。

　　目前，這項研究工作正在進行中，斯威本大學未來工廠主要攻關3D打印和快速成型設備的研發，ARC先進材料表面工程中心則聚焦先進表面涂層的研發。

　　研究人員表示，這項工作可匯集來自不同工業領域的能力和專業知識，終解決復合材料行業的制造挑戰。