blog O Wielowarstwowa koekstruzja zwiększa przewodnictwo kompozytów TPUSWCNT

Rosnące zapotrzebowanie na lekkie, wysoce przewodzące kompozyty polimerowe w nowych dziedzinach, takich jak elektroniczna skóra i elastyczne czujniki, skłoniło naukowców do poszukiwania innowacyjnych rozwiązań. Nanorurki węglowe (CNT), dzięki swojej wyjątkowej przewodności, wysokiemu współczynnikowi kształtu i lekkim właściwościom, stały się idealnymi wypełniaczami do kompozytów na bazie polimerów. Jednak wyzwanie związane z uzyskaniem jednorodnej dyspersji CNT w matrycach polimerowych przy jednoczesnym zachowaniu niskich progów perkolacji pozostaje kluczowym obszarem badań.

CNT posiadają niezwykłe właściwości elektryczne, a przewodność wewnętrzna sięga około 10³ S/m. Włączanie CNT do matryc polimerowych w celu tworzenia materiałów przewodzących stało się powszechnie stosowaną techniką, wykazującą ogromny potencjał w zastosowaniach od czujników i urządzeń ubieralnych po polimery z pamięcią kształtu, materiały samonaprawiające się i urządzenia do magazynowania energii.

Próg perkolacji elektrycznej (ϕc) reprezentuje krytyczne stężenie CNT, przy którym przewodność kompozytu gwałtownie wzrasta z powodu tworzenia się sieci przewodzącej. Badania teoretyczne sugerują, że wysoki współczynnik kształtu CNT może umożliwić osiągnięcie ϕc przy ekstremalnie niskich obciążeniach (nawet 0,1% wag.). Jednak praktyczne wyzwania, w tym wysoka lepkość polimerów termoplastycznych, silne siły van der Waalsa między CNT oraz słaba adhezja między CNT a polimerami, utrudniły osiągnięcie idealnego ϕc przy minimalnych obciążeniach.

W kompozytach z matrycą termoplastyczną ϕc zwykle mieści się w zakresie od 0,2 do 15% wag. zawartości CNT. Powszechne strategie redukcji ϕc obejmują zwiększenie rozpuszczalności/reaktywności CNT poprzez modyfikację powierzchni oraz oczyszczanie, a także stosowanie kompatybilizatorów w celu poprawy dyspersji. Wybór metody przetwarzania również okazuje się kluczowy dla uzyskania optymalnego rozkładu wypełniacza.

Różne techniki przetwarzania w stanie stopionym z powodzeniem wytworzyły dobrze zdyspergowane kompozyty polimer/CNT, w tym wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne i mieszalniki intensywne. Mniej konwencjonalne podejścia, takie jak montaż struktury warstwowej, oferują korzyści dzięki selektywnemu pozycjonowaniu wypełniacza i zwiększonej dyspersji.

Wymuszony montaż koekstruzji wielowarstwowej zapewnia ciągłą, elastyczną drogę przetwarzania w stanie stopionym, która tworzy struktury warstwowe poprzez powtarzane rozciąganie, cięcie i układanie strumieni stopu w oparciu o transformację Bakera. Zazwyczaj dwa oddzielne stopy polimeru łączą się w konwencjonalnym bloku zasilającym do koekstruzji, tworząc początkową strukturę dwuwarstwową, a następnie sekwencyjnie przepływają przez elementy mnożące warstwy (LME), które dzielą i łączą stop, aby stopniowo zwiększać liczbę warstw.

To ograniczenie warstw polimeru wykazało zwiększone właściwości mechaniczne, barierowe dla gazów, optyczne, dielektryczne i z pamięcią kształtu. Grubość warstwy zależy przede wszystkim od wydajności każdego składnika i liczby utworzonych warstw. Raporty z badań wskazują na maksymalną liczbę warstw wynoszącą 16 384 poprzez koekstruzję wielowarstwową, z grubościami warstw od mikronów do nanometrów.

W badaniu zaprojektowano i wykonano prototypowe urządzenie wykorzystujące transformację Bakera z małymi elementami LME z kanałami mieszającymi DentIncx. Takie podejście oferuje prostsze wymagania produkcyjne przy jednoczesnym zachowaniu skuteczności dla procesów wytłaczania w stanie stopionym.

W badaniu wybrano przemysłowy termoplastyczny poliuretan (TPU) ze względu na jego elastyczność, odporność na zużycie i stabilność chemiczną. Jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT) o wysokiej czystości i jednorodnym rozkładzie średnicy zapewniały optymalne właściwości elektryczne. Glikol polipropylenowy (PPG) służył jako środek wstępnej dyspersji SWCNT, oferując dobrą kompatybilność i niską lepkość w celu ułatwienia dyspersji CNT.

Naukowcy najpierw wstępnie zdyspergowali SWCNT w PPG poprzez sonikację, aby utworzyć jednorodne zawiesiny. Następnie zmieszali TPU z zawiesinami SWCNT/PPG w określonych proporcjach, stosując wytłaczanie dwuślimakowe w temperaturze 180-200°C z prędkością ślimaka 50-100 obr./min. Mieszalniki statyczne zainstalowane na wyjściu wytłaczarki zapewniały dodatkowe mieszanie i ścinanie w celu zwiększenia dyspersji CNT.

Proces podawał stopione kompozyty TPU/SWCNT i czysty TPU oddzielnie do urządzenia do koekstruzji wielowarstwowej zawierającego blok zasilający do koekstruzji i wiele LME. Początkowa struktura dwuwarstwowa utworzona w bloku zasilającym przeszła powtarzane warstwowanie, rozciąganie i rekombinację przez LME, ostatecznie tworząc struktury z setkami lub tysiącami warstw. Regulacja natężenia przepływu stopu i ilości LME umożliwiła precyzyjną kontrolę nad grubością warstwy.

Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) i transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) ujawniły znacznie poprawioną dyspersję SWCNT w matrycach TPU po mieszaniu statycznym i koekstruzji wielowarstwowej, ze znacznie zmniejszoną aglomeracją. Obserwacje TEM dodatkowo potwierdziły jednorodny rozkład i orientację SWCNT w warstwach TPU.

Testy rozciągania wykazały, że kompozyty TPU/SWCNT wykazywały wyższą wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości niż czysty TPU, choć z nieznacznie zmniejszonym wydłużeniem przy zerwaniu. Koekstruzja wielowarstwowa wytworzyła kompozyty o anizotropowych właściwościach mechanicznych, wykazujące wyższą wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż kierunku wytłaczania w porównaniu z orientacjami prostopadłymi.

Pomiary czteropunktowe wykazały próg przewodności przy zawartości 0,3% wag. SWCNT, wskazujący na skuteczne tworzenie się sieci przewodzącej. Przewodność nadal rosła wraz z wyższymi obciążeniami SWCNT. Koekstruzja wielowarstwowa wytworzyła kompozyty o znacznie wyższej przewodności niż konwencjonalne odpowiedniki mieszane w stanie stopionym, co przypisuje się doskonałej dyspersji i wyrównaniu SWCNT.

Badanie pokazuje, że koekstruzja wielowarstwowa w połączeniu z wstępną dyspersją SWCNT i mieszaniem statycznym skutecznie zwiększa przewodność kompozytu TPU/SWCNT. Wstępna dyspersja zmniejsza energię powierzchniową SWCNT i tendencję do aglomeracji, podczas gdy mieszanie statyczne zapewnia dokładną homogenizację stopu i ścinanie. Koekstruzja wielowarstwowa optymalizuje rozkład SWCNT poprzez kontrolowane struktury warstwowe, osiągając wyjątkową przewodność przy niskiej zawartości CNT.

Zaobserwowana anizotropia mechaniczna koreluje z orientacją SWCNT w warstwach TPU. Wzdłuż kierunku wytłaczania, przeważnie wyrównane SWCNT zwiększają wytrzymałość na rozciąganie, podczas gdy bardziej losowe orientacje prostopadłe wykazują mniejszą wytrzymałość.

W badaniu z powodzeniem zastosowano koekstruzję wielowarstwową do wytworzenia wysokowydajnych kompozytów TPU/SWCNT. Poprzez wstępną dyspersję SWCNT, mieszanie statyczne i koekstruzję wielowarstwową, w badaniu uzyskano doskonałą dyspersję i wyrównanie SWCNT, uzyskując doskonałą przewodność przy niskiej zawartości CNT przy jednoczesnym zachowaniu elastyczności.

Przyszłe kierunki badań obejmują:

• Optymalizację parametrów koekstruzji wielowarstwowej w celu zwiększenia wydajności kompozytu
• Badanie wpływu różnych typów CNT na właściwości kompozytu
• Rozszerzenie techniki na inne kompozyty matryc polimerowych
• Badanie zastosowań w inteligentnych materiałach i kompozytach biomedycznych

Koekstruzja wielowarstwowa stanowi znaczący potencjał dla rozwoju zaawansowanych kompozytów polimerowych, obiecując zaspokojenie rosnących wymagań dotyczących wysokowydajnych, wielofunkcyjnych materiałów w różnych branżach.