新的聚合物制造工藝可節(jié)省10個(gè)數(shù)量級(jí)的能源

汽車，飛機(jī)，公共汽車的制造商 - 任何需要堅(jiān)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(guò)聚合物發(fā)出級(jí)聯(lián)硬化波。與當(dāng)前的制造工藝相比，研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的聚合物固化工藝，可以降低所需的成本，時(shí)間和能源。汽車，飛機(jī)，公共汽車的制造商 - 任何需要堅(jiān)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(guò)聚合物發(fā)出級(jí)聯(lián)硬化波。伊利諾伊大學(xué)的研究人員開(kāi)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(shí)間和能源。

“自然”雜志報(bào)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(gè)數(shù)量級(jí)，并且在當(dāng)前的制造過(guò)程中可以減少兩個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間。“這一發(fā)展標(biāo)志著近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)高性能聚合物和復(fù)合材料制造業(yè)的第一次重大進(jìn)步，”航空航天工程教授兼主要作者斯科特懷特說(shuō)。

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

以飛機(jī)裝配為例。懷特說(shuō)，對(duì)于美國(guó)的一家主要生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，只需一臺(tái)大型商用客機(jī)的一部分就可以消耗超過(guò)96,000千瓦時(shí)的能量，并產(chǎn)生超過(guò)80噸的二氧化碳，這取決于能源。美國(guó)能源情報(bào)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(jī)制造商使用直徑約60英尺，長(zhǎng)約40英尺的固化爐 - 這是一個(gè)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(jī)械，”懷特說(shuō)。“在大約24小時(shí)的循環(huán)中，溫度通過(guò)一系列非常精確的步驟升高到大約350華氏度。這是一個(gè)令人難以置信的能源密集型過(guò)程。”

該團(tuán)隊(duì)是伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校Beckman高級(jí)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(zhǎng)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(guò)程。“樹(shù)脂的化學(xué)鍵中儲(chǔ)存了大量的能量來(lái)為這一過(guò)程提供動(dòng)力，”摩爾說(shuō)。“學(xué)會(huì)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(guò)觸摸基本上是烙鐵到聚合物表面一角的東西，我們可以開(kāi)始在整個(gè)材料中傳播的級(jí)聯(lián)化學(xué)反應(yīng)波，”懷特說(shuō)。“一旦觸發(fā)，反應(yīng)就會(huì)使用焓或聚合反應(yīng)的內(nèi)部能量來(lái)推動(dòng)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(shí)間，但如果最終產(chǎn)品的質(zhì)量不合格則無(wú)關(guān)緊要，”Sottos說(shuō)。“我們可以通過(guò)從一個(gè)以上的點(diǎn)觸發(fā)硬化反應(yīng)來(lái)提高制造速度，但需要非常小心地控制。否則，兩個(gè)反應(yīng)波的會(huì)合點(diǎn)可能會(huì)形成熱尖峰，導(dǎo)致不完美，可能會(huì)降低隨著時(shí)間的推移。“

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，這種反應(yīng)可以在良好控制的實(shí)驗(yàn)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(shù)脂灌注)的兼容性，他們?cè)O(shè)想了適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的工藝。