εταιρικά νέα για Η πολυστρωματική συν-εξώθηση ενισχύει την αγωγιμότητα σύνθετων υλικών TPUSWCNT

Η αυξανόμενη ζήτηση για ελαφριά, εξαιρετικά αγώγιμα πολυμερικά σύνθετα υλικά σε αναδυόμενους τομείς όπως το ηλεκτρονικό δέρμα και οι εύκαμπτοι αισθητήρες, έχει ωθήσει τους ερευνητές να εξερευνήσουν καινοτόμες λύσεις. Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), με την εξαιρετική τους αγωγιμότητα, την υψηλή αναλογία διαστάσεων και τις ελαφριές ιδιότητες, έχουν αναδειχθεί ως ιδανικά πληρωτικά για σύνθετα υλικά με βάση τα πολυμερή. Ωστόσο, η πρόκληση της επίτευξης ομοιόμορφης διασποράς CNT σε πολυμερικές μήτρες, διατηρώντας παράλληλα χαμηλά όρια διασποράς, παραμένει ένα κρίσιμο ερευνητικό επίκεντρο.

Τα CNTs διαθέτουν αξιοσημείωτες ηλεκτρικές ιδιότητες, με εγγενή αγωγιμότητα που φτάνει περίπου τα 10³ S/m. Η ενσωμάτωση CNTs σε πολυμερικές μήτρες για τη δημιουργία αγώγιμων υλικών έχει γίνει μια ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική, που δείχνει τεράστιες δυνατότητες σε εφαρμογές που κυμαίνονται από αισθητήρες και φορέσιμες συσκευές έως πολυμερή μνήμης σχήματος, αυτοθεραπευόμενα υλικά και συσκευές αποθήκευσης ενέργειας.

Το όριο ηλεκτρικής διασποράς (ϕc) αντιπροσωπεύει την κρίσιμη συγκέντρωση CNT όπου η αγωγιμότητα του σύνθετου υλικού αυξάνεται γρήγορα λόγω του σχηματισμού αγώγιμου δικτύου. Θεωρητικές μελέτες υποδηλώνουν ότι η υψηλή αναλογία διαστάσεων των CNTs θα μπορούσε να επιτρέψει την επίτευξη ϕc σε εξαιρετικά χαμηλά φορτία (έως και 0,1% κατά βάρος). Ωστόσο, πρακτικές προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής ιξώδους των θερμοπλαστικών πολυμερών, των ισχυρών δυνάμεων van der Waals μεταξύ των CNTs και της ασθενούς προσκόλλησης διεπαφής μεταξύ των CNTs και των πολυμερών, έχουν εμποδίσει την επίτευξη ιδανικού ϕc σε ελάχιστα φορτία.

Στα σύνθετα υλικά θερμοπλαστικής μήτρας, το ϕc συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 0,2 έως 15% κατά βάρος περιεκτικότητας σε CNT. Οι κοινές στρατηγικές για τη μείωση του ϕc περιλαμβάνουν την ενίσχυση της διαλυτότητας/αντιδραστικότητας των CNTs μέσω τροποποίησης και καθαρισμού της επιφάνειας, καθώς και τη χρήση συμβατοποιητών για τη βελτίωση της διασποράς. Η επιλογή της μεθόδου επεξεργασίας αποδεικνύεται επίσης κρίσιμη για την επίτευξη βέλτιστης κατανομής του πληρωτικού.

Διάφορες τεχνικές επεξεργασίας τήγματος έχουν παραγάγει με επιτυχία καλά διασπαρμένα σύνθετα πολυμερούς/CNT, συμπεριλαμβανομένων των περιστρεφόμενων διπλόκοχλων εξωθητών και των εντατικών μιξέρ. Λιγότερο συμβατικές προσεγγίσεις όπως η συναρμολόγηση στρωματικής δομής προσφέρουν πλεονεκτήματα μέσω της επιλεκτικής τοποθέτησης πληρωτικού και της ενισχυμένης διασποράς.

Η αναγκαστική συναρμολόγηση πολυστρωματικής συν-εξώθησης παρέχει μια συνεχόμενη, ευέλικτη διαδρομή επεξεργασίας τήγματος που δημιουργεί στρωματικές δομές μέσω επαναλαμβανόμενης τάνυσης, κοπής και στοίβαξης ροών τήγματος με βάση τη μετατροπή του Baker. Τυπικά, δύο ξεχωριστά τήγματα πολυμερούς ενώνονται σε ένα συμβατικό feedblock συν-εξώθησης για να σχηματίσουν μια αρχική διπλανή δομή, στη συνέχεια ρέουν διαδοχικά μέσω στοιχείων πολλαπλασιασμού στρώσεων (LMEs) που χωρίζουν και συνδυάζουν εκ νέου το τήγμα για να αυξήσουν σταδιακά τον αριθμό των στρώσεων.

Αυτός ο περιορισμός των στρώσεων πολυμερούς έχει αποδείξει ενισχυμένες μηχανικές, φραγμού αερίου, οπτικές, διηλεκτρικές και ιδιότητες μνήμης σχήματος. Το πάχος των στρώσεων εξαρτάται κυρίως από την απόδοση κάθε συστατικού και τον αριθμό των σχηματισμένων στρώσεων. Οι ερευνητικές αναφορές υποδεικνύουν μέγιστο αριθμό στρώσεων 16.384 μέσω πολυστρωματικής συν-εξώθησης, με πάχη στρώσεων που κυμαίνονται από μικρά έως νανόμετρα.

Η μελέτη σχεδίασε και κατασκεύασε μια πρωτότυπη συσκευή εφαρμόζοντας τη μετατροπή του Baker χρησιμοποιώντας μικρά LMEs με κανάλια ανάμειξης DentIncx. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει απλούστερες απαιτήσεις κατασκευής, διατηρώντας παράλληλα την αποτελεσματικότητα για τις διαδικασίες εξώθησης τήγματος.

Η έρευνα επέλεξε βιομηχανικής ποιότητας θερμοπλαστικό πολυουρεθάνιο (TPU) για την ευελιξία, την αντοχή στη φθορά και τη χημική σταθερότητά του. Οι μονοτοιχωματικοί νανοσωλήνες άνθρακα (SWCNTs) με υψηλή καθαρότητα και ομοιόμορφη κατανομή διαμέτρου εξασφάλισαν βέλτιστες ηλεκτρικές ιδιότητες. Η πολυπροπυλενογλυκόλη (PPG) χρησίμευσε ως προ-διασπορέας SWCNT, προσφέροντας καλή συμβατότητα και χαμηλό ιξώδες για τη διευκόλυνση της διασποράς CNT.

Οι ερευνητές προ-διασκόρπισαν πρώτα τα SWCNTs σε PPG μέσω υπερήχων για να δημιουργήσουν ομογενή εναιωρήματα. Στη συνέχεια, ανακάτεψαν TPU με εναιωρήματα SWCNT/PPG σε συγκεκριμένες αναλογίες χρησιμοποιώντας δίδυμο-κοχλία εξώθηση στους 180-200°C με ταχύτητες κοχλία 50-100 rpm. Στατικοί αναμίκτες που εγκαταστάθηκαν στην έξοδο του εξωθητή παρείχαν επιπλέον ανάμειξη και διάτμηση για την ενίσχυση της διασποράς CNT.

Η διαδικασία τροφοδότησε τήγματα σύνθετων υλικών TPU/SWCNT και καθαρού TPU ξεχωριστά σε εξοπλισμό πολυστρωματικής συν-εξώθησης που περιείχε ένα feedblock συν-εξώθησης και πολλαπλά LMEs. Η αρχική διπλανή δομή που σχηματίστηκε στο feedblock υποβλήθηκε σε επαναλαμβανόμενη στρώση, τάνυση και ανασυνδυασμό μέσω LMEs, δημιουργώντας τελικά δομές με εκατοντάδες ή χιλιάδες στρώσεις. Η ρύθμιση των ρυθμών ροής τήγματος και των ποσοτήτων LME επέτρεψε τον ακριβή έλεγχο του πάχους των στρώσεων.

Η μικροσκοπία σάρωσης ηλεκτρονίων (SEM) και η μικροσκοπία μετάδοσης ηλεκτρονίων (TEM) αποκάλυψαν σημαντικά βελτιωμένη διασπορά SWCNT σε μήτρες TPU μετά από στατική ανάμειξη και πολυστρωματική συν-εξώθηση, με αισθητά μειωμένη συσσωμάτωση. Οι παρατηρήσεις TEM επιβεβαίωσαν περαιτέρω την ομοιόμορφη κατανομή και τον προσανατολισμό των SWCNT εντός των στρώσεων TPU.

Οι δοκιμές εφελκυσμού έδειξαν ότι τα σύνθετα υλικά TPU/SWCNT παρουσίασαν υψηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό και ελαστικό μέτρο από το καθαρό TPU, αν και με ελαφρώς μειωμένη επιμήκυνση κατά τη θραύση. Η πολυστρωματική συν-εξώθηση παρήγαγε σύνθετα υλικά με ανισότροπα μηχανικά χαρακτηριστικά, που έδειξαν υψηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό κατά τη διεύθυνση εξώθησης σε σύγκριση με κάθετους προσανατολισμούς.

Οι μετρήσεις τεσσάρων σημείων ανιχνευτή αποκάλυψαν ένα όριο αγωγιμότητας στο 0,3% κατά βάρος περιεκτικότητας σε SWCNT, υποδεικνύοντας τον αποτελεσματικό σχηματισμό αγώγιμου δικτύου. Η αγωγιμότητα συνέχισε να αυξάνεται με υψηλότερα φορτία SWCNT. Η πολυστρωματική συν-εξώθηση παρήγαγε σύνθετα υλικά με σημαντικά υψηλότερη αγωγιμότητα από τα συμβατικά μείγματα τήγματος, που αποδίδεται στην ανώτερη διασπορά και ευθυγράμμιση SWCNT.

Η μελέτη δείχνει ότι η πολυστρωματική συν-εξώθηση σε συνδυασμό με την προ-διασπορά SWCNT και τη στατική ανάμειξη ενισχύει αποτελεσματικά την αγωγιμότητα του σύνθετου υλικού TPU/SWCNT. Η προ-διασπορά μειώνει την επιφανειακή ενέργεια SWCNT και τις τάσεις συσσωμάτωσης, ενώ η στατική ανάμειξη παρέχει πλήρη ομογενοποίηση τήγματος και διάτμηση. Η πολυστρωματική συν-εξώθηση βελτιστοποιεί την κατανομή SWCNT μέσω ελεγχόμενων στρωματικών δομών, επιτυγχάνοντας εξαιρετική αγωγιμότητα σε χαμηλή περιεκτικότητα σε CNT.

Η παρατηρούμενη μηχανική ανισοτροπία συσχετίζεται με τον προσανατολισμό SWCNT εντός των στρώσεων TPU. Κατά τη διεύθυνση εξώθησης, τα κυρίως ευθυγραμμισμένα SWCNTs αυξάνουν την αντοχή σε εφελκυσμό, ενώ πιο τυχαίοι κάθετοι προσανατολισμοί δείχνουν χαμηλότερη αντοχή.

Αυτή η έρευνα χρησιμοποίησε με επιτυχία την πολυστρωματική συν-εξώθηση για την παραγωγή σύνθετων υλικών TPU/SWCNT υψηλής απόδοσης. Μέσω της προ-διασποράς SWCNT, της στατικής ανάμειξης και της πολυστρωματικής συν-εξώθησης, η μελέτη πέτυχε εξαιρετική διασπορά και ευθυγράμμιση SWCNT, αποδίδοντας ανώτερη αγωγιμότητα σε χαμηλή περιεκτικότητα σε CNT, διατηρώντας παράλληλα την ευελιξία.

Οι μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις περιλαμβάνουν:

• Βελτιστοποίηση των παραμέτρων πολυστρωματικής συν-εξώθησης για βελτιωμένη απόδοση σύνθετου υλικού
• Διερεύνηση των επιπτώσεων διαφορετικών τύπων CNT στις ιδιότητες του σύνθετου υλικού
• Επέκταση της τεχνικής σε άλλα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας
• Διερεύνηση εφαρμογών σε έξυπνα υλικά και βιοϊατρικά σύνθετα υλικά

Η πολυστρωματική συν-εξώθηση παρουσιάζει σημαντικές δυνατότητες για την ανάπτυξη προηγμένων σύνθετων πολυμερών, υποσχόμενη να καλύψει τις αυξανόμενες απαιτήσεις για υλικά υψηλής απόδοσης, πολυλειτουργικά σε διάφορες βιομηχανίες.