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新的聚合物制造工艺可节省10个数量级的能源

2019-07-05 11:01:55 来源:

汽车,飞机,公共汽车的制造商 - 任何需要坚固,轻质和耐热部件的产品 - 都可以从新的制造工艺中受益,这种制造工艺只需要从小型热源快速触摸即可通过聚合物发出级联硬化波。与当前的制造工艺相比,研究人员开发了一种新的聚合物固化工艺,可以降低所需的成本,时间和能源。汽车,飞机,公共汽车的制造商 - 任何需要坚固,轻质和耐热部件的产品 - 都可以从新的制造工艺中受益,这种制造工艺只需要从小型热源快速触摸即可通过聚合物发出级联硬化波。伊利诺伊大学的研究人员开发出一种新的聚合物固化工艺,与目前的制造工艺相比,可以降低所需的成本,时间和能源。

“自然”杂志报道的研究结果表明,新的聚合工艺使用的能量减少了10个数量级,并且在当前的制造过程中可以减少两个数量级的时间。“这一发展标志着近半个世纪以来高性能聚合物和复合材料制造业的第一次重大进步,”航空航天工程教授兼主要作者斯科特怀特说。

“用于制造飞机和汽车的材料具有出色的热性能和机械性能,但制造工艺在时间,能源和环境影响方面成本高昂,”怀特说。“我们的目标之一是降低费用并增加产量。”

以飞机装配为例。怀特说,对于美国的一家主要生产商来说,只需一台大型商用客机的一部分就可以消耗超过96,000千瓦时的能量,并产生超过80吨的二氧化碳,这取决于能源。美国能源情报署(US Energy Information Administration)表示,这大致是为一年内提供9套普通住宅所需的电量。

“客机制造商使用直径约60英尺,长约40英尺的固化炉 - 这是一个非常庞大的结构,充满了加热元件,风扇,冷却管和各种其他复杂机械,”怀特说。“在大约24小时的循环中,温度通过一系列非常精确的步骤升高到大约350华氏度。这是一个令人难以置信的能源密集型过程。”

该团队是伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校Beckman高级科学与技术研究所的成员,包括怀特,化学教授和贝克曼研究所所长Jeffrey Moore,航空航天工程教授兼系主任Philippe Geubelle,以及材料科学与工程教授南希索托斯他们提出,他们可以控制化学反应性,以节省聚合物固化过程。“树脂的化学键中储存了大量的能量来为这一过程提供动力,”摩尔说。“学会以恰当的速度释放这种能量 - 不是太快,而是太慢 - 是发现的关键。”

“通过触摸基本上是烙铁到聚合物表面一角的东西,我们可以开始在整个材料中传播的级联化学反应波,”怀特说。“一旦触发,反应就会使用焓或聚合反应的内部能量来推动反应并固化材料,而不是外部能源。”

“你可以节省能源和时间,但如果最终产品的质量不合格则无关紧要,”Sottos说。“我们可以通过从一个以上的点触发硬化反应来提高制造速度,但需要非常小心地控制。否则,两个反应波的会合点可能会形成热尖峰,导致不完美,可能会降低随着时间的推移。“

该团队已经证明,这种反应可以在良好控制的实验室环境中生产安全,高质量的聚合物。由于它与常用的制造技术(如模塑,压印,3D打印和树脂灌注)的兼容性,他们设想了适应大规模生产的工艺。

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