Résines époxy avancées ouvrent la voie à la fabrication composite à haut volume

Le Dr Nishar Hameed, chercheur senior à l'Université de technologie Swinburne, tenant un prototype d'écran imprimé en 3D à l'Usine du Futur de Swinburne. Crédit photo : Université de technologie Swinburne.

Un défi pour l'impression 3D composite et d'autres procédés de fabrication pour passer à des applications à plus haut volume est le temps de durcissement des pièces composites. La recherche sur un système de matrice résine à durcissement rapide, amélioré par additifs, pourrait apporter une solution.

Une étude récemment publiée par des chercheurs de l'Université de technologie Swinburne (Melbourne, Australie) en collaboration avec l'Université Deakin (Geelong, Australie) a examiné l'utilisation de liquides ioniques solvatés (SIL) — additifs combinant un solvant avec un sel métallique — comme catalyseur pour permettre des temps de durcissement plus rapides et des températures de durcissement plus basses pour les résines époxy. Selon l'article, d'autres types de liquides ioniques ont été utilisés comme additifs dans les plastiques depuis un certain temps, mais les SIL sont une classe relativement nouvelle encore à l'étude.

Pour cette étude, les chercheurs ont ajouté différentes quantités en poids (de 1 % à 20 %) de SIL, en combinaison avec un durcisseur, dans une matrice époxy et chauffé au point de fusion. L'article rapporte que le système époxy sans additifs durcissait en environ 31 minutes à 100 °C ; l'ajout de seulement 1 % en poids d'additifs SIL a entraîné une réduction de 80 % du temps de durcissement, et davantage pour des quantités plus importantes de SIL (voir Fig. 1). Selon l'étude, ce type de résine époxy améliorée montre un potentiel pour permettre une impression 3D plus rapide, à plus haut volume, et d'autres procédés de fabrication de composites.

En plus d'un temps de durcissement plus rapide, ce n'était pas la seule propriété observée par l'équipe de recherche dans l'époxy amélioré aux SIL. Selon le Dr Nishar Hameed de Swinburne, chercheur senior qui a dirigé le projet et est auteur de l'article, ce projet a découlé de recherches menées depuis plus de 10 ans sur les interactions des liquides ioniques avec les résines époxy et d'autres polymères. Dans ses recherches initiales, Hameed et son équipe ne cherchaient pas du tout un durcissement rapide, mais ont découvert que l'amélioration par liquides ioniques transformait les polymères époxy traditionnellement fragiles en un matériau flexible et formable (voir Fig. 2).

« Nous avons découvert que l'époxy peut se comporter comme un thermoplastique ductile, flexible à température ambiante, et aussi comme un élastomère étirable », dit Hameed. « En utilisant une approche expérimentale et théorique, nous avons identifié le mécanisme de transfert de charge réversible permettant au réseau époxy d'être flexible. » (Voir Fig. 3.)

S'appuyant sur cette découverte, Hameed et son équipe à Swinburne ont collaboré avec l'équipe du Dr Luke Henderson à l'Université Deakin pour étudier si les liquides ioniques solvatés montraient des propriétés de flexibilité similaires.

« La découverte du comportement de durcissement rapide dans l'époxy avec liquide ionique solvaté était fortuite », admet Hameed. Les chercheurs ont réalisé dès les premiers essais que le processus allait « bien trop vite », dit-il, signifiant que les époxy durcissaient beaucoup plus vite que la normale, et plus que prévu. « Nous avons dû travailler avec une gamme de liquides ioniques, différentes concentrations et conditions de processus pour adapter le mécanisme de comportement de durcissement rapide et les propriétés physiques associées », dit-il.

« Il y a eu une augmentation de 72 fois du taux de durcissement pour notre nouvelle formulation de résine par rapport à la résine de référence », dit-il, « et dans certaines compositions, la réaction était [si] extrêmement rapide que nous n'avons pas pu la mesurer. Le durcissement était complet avant que nous puissions faire quelconque test. »

Significativement, ajoute Hameed, cette approche n'augmente pas seulement le taux de durcissement, mais réduit aussi la température de durcissement de la résine, indiquant des économies d'énergie potentielles dans les processus de fabrication utilisant cette matrice.

Applications futures dans la fabrication de composites à haut volume

Des recherches supplémentaires sont encore nécessaires avant que ces résines ne quittent le laboratoire. « Avant d'entrer dans les voies commerciales, nous devons relever certains défis fondamentaux associés à la fabrication rapide de matériaux. Par exemple, dans les composites à durcissement rapide, les réactions de réticulation de l'époxy se produisent en quelques secondes avec des cycles rapide chauffage-refroidissement et moulage-démoulage, conduisant à des contraintes induites par le processus », dit Hameed.

Pour résoudre ces problèmes, lui et son équipe travaillent sur une approche combinée modélisation computationnelle et expérimentale pour identifier et atténuer toute imperfection. « C'est critique pour l'intégrité et l'efficacité des structures composites et des processus de fabrication associés », dit-il.

À l'avenir, Hameed voit un potentiel pour les époxy à durcissement rapide améliorés aux SIL dans la fabrication additive composite, qui est souvent freinée par un traitement lent des matériaux, un défi facilement adressé par les résines à durcissement rapide. « Nous développons des formulations capables d'être solidifiées en quelques secondes en utilisant la technique stéréolithographique et ainsi accélérer le temps de production des pièces », ajoute-t-il.

D'autres procédés de fabrication de composites à l'évaluation incluent l'infusion, le moulage par transfert de résine (RTM) et d'autres formes d'automatisation, ainsi que l'adaptation pour les systèmes de préimprégnés, et l'utilisation dans les peintures époxy à séchage rapide, revêtements de surface et enduction. La flexibilité des systèmes de résine permettra aussi l'utilisation en thermoformage, dit Hameed, ce qui est généralement difficile pour les stratifiés composites à base de thermodurcissables.

« La fabrication additive (y compris l'automatisation des composites) avec des polymères à traitement rapide est prédite comme l'avenir de la fabrication de composites à haut volume ainsi que de la production en série de pièces composites », ajoute-t-il. « Les résines et préimprégnés à durcissement rapide sont critiques pour cette approche où nous avons besoin de matériaux prêts en quelques secondes, si possible. »

La recherche se poursuit à l'Usine du Futur de Swinburne pour l'impression 3D et le prototypage rapide, ainsi qu'à la recherche avancée sur les revêtements de surface au Centre ARC pour l'ingénierie des surfaces pour matériaux avancés (ARC SEAM).

Hameed dit : « Ce sera une opportunité de rassembler capacités et expertises de nombreux domaines différents, pour finalement adresser les défis de fabrication pour les industries des composites. »

Pour les résultats et conclusions complets, voir l'article complet, publié dans le numéro du 10 juillet 2020 d'ACS Applied Polymer Materials.