|
现在，研究人员已经找到了一种新的方法，可用比之前更低的成本来制造工业上十分重要的高分子材料，如热固性聚合物和纤维增强聚合物复合材料。该方法可用于制造诸如应用在飞机机身的成形复合板产品，并使其制造所需能量减少到比当前工业制造技术低10个数量级。所得到的聚合物和复合材料与常规方法制备的相比性能相当，在力学强度、热稳定性、抗弯曲性和耐化学性等方面几乎无差。制造高性能热固性部件，目前是需要使用高压釜在高压下加热进行固化，在此之前还需要对单体树脂进行预固化处理。高压釜的尺寸对生产的部件尺寸会有限制，部件越大就需要越大的高压釜。而且对于大型部件而言，这个过程会非常缓慢，并且需要消耗大量的能量。 来自美国伊利诺伊州立大学厄巴纳-香槟分校的Jeffrey S. Moore和Scott R. White，带领一个研究团队，开发了这种新的高分子加工成型方法（Nature，DOI：10.1038/s41586-018-0054-X）。据研究人员估计，波音787客机机身的一小部分纤维增强复合材料的传统固化所需电能约为96000千瓦时，这已经足够9户城市居民一年的使用了。研究人员相信他们的新型高分子固化方法可以将相同部件生产所需电量降低到9.6 毫瓦时，这仅够25瓦白炽灯维持2秒钟。 3D打印螺旋结构模型和单体的分子模型 （来源：C&EN） 该团队所研究的新方法，第一步是对含二环戊二烯（Dicyclopentadiene，DCPD）单体或DCPD纤维混合物的溶液（或凝胶）进行预成型处理。然后他们使用热源来引发预成型材料的聚合。 引发聚合一旦开始，单体会有足够的内部能量使其自身聚合成热固性产品，而不需要高压釜或其他装置进行辅助。该过程被称为前端聚合（Frontal Polymerization），因为聚合反应沿着前端快速聚合。DCPD的前端聚合反应可以生产高性能交联热固性的聚二环戊二烯（pDCPD）聚合物及复合材料。 研究人员使用的特定反应是钌催化前端开环复分解聚合反应(Frontal Ring-Opening Metathesis Polymerization，FROMP)。FROMP之前已经被其他科学家研究过，但因其固化时间太短而难以应用。例如，未加热的DCPD单体树脂或纤维混合物在30分钟内就基本已经固化。在大多数情况下，固化过程太快了以至于无法在引发聚合反应前对原材料进行预成型处理。该团队的关键研究成果是近期发现的烷基亚磷酸酯抑制剂。添加这种抑制剂可以使得DCPD单体的加工时间从30分钟延长到30小时。这样就可以使用FROMP来构建一系列pDCPD聚合物或复合材料的复杂结构。 FROMP的一个示例，其中n是聚合度，m是交联度。 （来源：C&EN） 研究人员使用3D打印机构建螺旋结构模型和DCPD分子模型。他们还制造了纤维增强复合板，该产品具有与工业生产上同类产品相似的性能，可以满足高性能应用要求。由于固化过程中仅引发时才需要消耗热量，一旦引发便不在需要热源供给能量，使得该方法消耗的能量会比传统固化所需要少得多。而且固化过程也更快，不需要额外的高压加热设备。White和他的同事希望利用这项技术开发全新的方法来制造复杂的结构。他们已经提交了与这项研究有关的多项专利申请，但目前尚未将其商业化。
|
|
|
