新的聚合物制造工藝可節(jié)省10個數(shù)量級的能源

汽車，飛機，公共汽車的制造商 - 任何需要堅固，輕質(zhì)和耐熱部件的產(chǎn)品 - 都可以從新的制造工藝中受益，這種制造工藝只需要從小型熱源快速觸摸即可通過聚合物發(fā)出級聯(lián)硬化波。與當(dāng)前的制造工藝相比，研究人員開發(fā)了一種新的聚合物固化工藝，可以降低所需的成本，時間和能源。汽車，飛機，公共汽車的制造商 - 任何需要堅固，輕質(zhì)和耐熱部件的產(chǎn)品 - 都可以從新的制造工藝中受益，這種制造工藝只需要從小型熱源快速觸摸即可通過聚合物發(fā)出級聯(lián)硬化波。伊利諾伊大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新的聚合物固化工藝，與目前的制造工藝相比，可以降低所需的成本，時間和能源。

“自然”雜志報道的研究結(jié)果表明，新的聚合工藝使用的能量減少了10個數(shù)量級，并且在當(dāng)前的制造過程中可以減少兩個數(shù)量級的時間。“這一發(fā)展標志著近半個世紀以來高性能聚合物和復(fù)合材料制造業(yè)的第一次重大進步，”航空航天工程教授兼主要作者斯科特懷特說。

“用于制造飛機和汽車的材料具有出色的熱性能和機械性能，但制造工藝在時間，能源和環(huán)境影響方面成本高昂，”懷特說。“我們的目標之一是降低費用并增加產(chǎn)量。”

以飛機裝配為例。懷特說，對于美國的一家主要生產(chǎn)商來說，只需一臺大型商用客機的一部分就可以消耗超過96,000千瓦時的能量，并產(chǎn)生超過80噸的二氧化碳，這取決于能源。美國能源情報署(US Energy Information Administration)表示，這大致是為一年內(nèi)提供9套普通住宅所需的電量。

“客機制造商使用直徑約60英尺，長約40英尺的固化爐 - 這是一個非常龐大的結(jié)構(gòu)，充滿了加熱元件，風(fēng)扇，冷卻管和各種其他復(fù)雜機械，”懷特說。“在大約24小時的循環(huán)中，溫度通過一系列非常精確的步驟升高到大約350華氏度。這是一個令人難以置信的能源密集型過程。”

該團隊是伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校Beckman高級科學(xué)與技術(shù)研究所的成員，包括懷特，化學(xué)教授和貝克曼研究所所長Jeffrey Moore，航空航天工程教授兼系主任Philippe Geubelle，以及材料科學(xué)與工程教授南希索托斯他們提出，他們可以控制化學(xué)反應(yīng)性，以節(jié)省聚合物固化過程。“樹脂的化學(xué)鍵中儲存了大量的能量來為這一過程提供動力，”摩爾說。“學(xué)會以恰當(dāng)?shù)乃俣柔尫胚@種能量 - 不是太快，而是太慢 - 是發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵。”

“通過觸摸基本上是烙鐵到聚合物表面一角的東西，我們可以開始在整個材料中傳播的級聯(lián)化學(xué)反應(yīng)波，”懷特說。“一旦觸發(fā)，反應(yīng)就會使用焓或聚合反應(yīng)的內(nèi)部能量來推動反應(yīng)并固化材料，而不是外部能源。”

“你可以節(jié)省能源和時間，但如果最終產(chǎn)品的質(zhì)量不合格則無關(guān)緊要，”Sottos說。“我們可以通過從一個以上的點觸發(fā)硬化反應(yīng)來提高制造速度，但需要非常小心地控制。否則，兩個反應(yīng)波的會合點可能會形成熱尖峰，導(dǎo)致不完美，可能會降低隨著時間的推移。“

該團隊已經(jīng)證明，這種反應(yīng)可以在良好控制的實驗室環(huán)境中生產(chǎn)安全，高質(zhì)量的聚合物。由于它與常用的制造技術(shù)(如模塑，壓印，3D打印和樹脂灌注)的兼容性，他們設(shè)想了適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的工藝。