وبلاگ در باره اکستروژن چند لایه رسانایی کامپوزیت TPUSWCNT را افزایش می دهد

تقاضای فزاینده برای کامپوزیت‌های پلیمری سبک وزن و بسیار رسانا در زمینه‌های نوظهور مانند پوست الکترونیکی و حسگرهای انعطاف‌پذیر، محققان را بر آن داشته است تا راه‌حل‌های نوآورانه‌ای را بررسی کنند. نانولوله‌های کربنی (CNTs) با رسانایی استثنایی، نسبت ابعاد بالا و خواص سبک وزن خود، به عنوان پرکننده‌های ایده‌آل برای کامپوزیت‌های مبتنی بر پلیمر ظاهر شده‌اند. با این حال، چالش دستیابی به پراکندگی یکنواخت CNT در ماتریس‌های پلیمری در حالی که آستانه‌های کمتری از نفوذ را حفظ می‌کند، همچنان یک کانون تحقیقاتی مهم است.

CNTs دارای خواص الکتریکی قابل توجهی هستند، با رسانایی ذاتی که تقریباً به 10³ S/m می‌رسد. ترکیب CNTها در ماتریس‌های پلیمری برای ایجاد مواد رسانا به یک تکنیک پرکاربرد تبدیل شده است که پتانسیل عظیمی را در کاربردهایی از حسگرها و دستگاه‌های پوشیدنی گرفته تا پلیمرهای حافظه شکل، مواد خود ترمیم‌شونده و دستگاه‌های ذخیره انرژی نشان می‌دهد.

آستانه نفوذ الکتریکی (ϕc) نشان‌دهنده غلظت بحرانی CNT است که در آن رسانایی کامپوزیت به سرعت به دلیل تشکیل شبکه رسانا افزایش می‌یابد. مطالعات نظری نشان می‌دهد که نسبت ابعاد بالای CNTها می‌تواند دستیابی به ϕc را در بارگذاری‌های بسیار کم (تا 0.1 درصد وزنی) امکان‌پذیر کند. با این حال، چالش‌های عملی از جمله ویسکوزیته بالای پلیمرهای ترموپلاستیک، نیروهای قوی واندروالس بین CNTها و چسبندگی ضعیف بین سطحی بین CNTها و پلیمرها، مانع از دستیابی به ϕc ایده‌آل در حداقل بارگذاری شده است.

در کامپوزیت‌های ماتریس ترموپلاستیک، ϕc معمولاً بین 0.2 تا 15 درصد وزنی محتوای CNT قرار دارد. استراتژی‌های رایج برای کاهش ϕc شامل افزایش حلالیت/واکنش‌پذیری CNT از طریق اصلاح و خالص‌سازی سطح و همچنین استفاده از سازگارکننده‌ها برای بهبود پراکندگی است. انتخاب روش پردازش نیز برای دستیابی به توزیع بهینه پرکننده بسیار مهم است.

تکنیک‌های مختلف پردازش ذوب با موفقیت کامپوزیت‌های پلیمر/CNT با پراکندگی خوب را تولید کرده‌اند، از جمله اکسترودرهای دو پیچی هم‌چرخشی و میکسر‌های فشرده. رویکردهای کمتر متعارف مانند مونتاژ ساختار لایه‌ای، مزایایی را از طریق موقعیت‌یابی انتخابی پرکننده و پراکندگی افزایش‌یافته ارائه می‌دهند.

مونتاژ اجباری اکستروژن چند لایه یک مسیر پردازش ذوب پیوسته و انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کند که ساختارهای لایه‌ای را از طریق کشش، برش و انباشت مکرر جریان‌های ذوب بر اساس تبدیل بیکر ایجاد می‌کند. به‌طور معمول، دو ذوب پلیمر جداگانه در یک بلوک تغذیه اکستروژن معمولی به هم می‌پیوندند تا یک ساختار دولایه اولیه را تشکیل دهند، سپس به‌طور متوالی از طریق عناصر چند برابر کننده لایه (LMEs) جریان می‌یابند که ذوب را تقسیم و ترکیب می‌کنند تا تعداد لایه‌ها را به تدریج افزایش دهند.

این محصور شدن لایه پلیمر، خواص مکانیکی، مانع گاز، نوری، دی‌الکتریک و حافظه شکل را افزایش داده است. ضخامت لایه در درجه اول به خروجی هر جزء و تعداد لایه‌های تشکیل شده بستگی دارد. گزارش‌های تحقیقاتی نشان می‌دهد که حداکثر تعداد لایه‌ها 16384 از طریق اکستروژن چند لایه است که ضخامت لایه‌ها از میکرون تا نانومتر متغیر است.

این مطالعه یک دستگاه نمونه اولیه را با استفاده از تبدیل بیکر با استفاده از LMEهای کوچک با کانال‌های اختلاط DentIncx طراحی و ساخت. این رویکرد الزامات تولید ساده‌تری را ارائه می‌دهد در حالی که اثربخشی را برای فرآیندهای اکستروژن ذوب حفظ می‌کند.

این تحقیق پلی‌اورتان ترموپلاستیک (TPU) درجه صنعتی را به دلیل انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر سایش و پایداری شیمیایی آن انتخاب کرد. نانولوله‌های کربنی تک جداره (SWCNT) با خلوص بالا و توزیع یکنواخت قطر، خواص الکتریکی بهینه را تضمین کردند. پروپیلن گلیکول پلی‌پروپیلن (PPG) به عنوان پیش‌ماده SWCNT عمل می‌کرد و سازگاری خوب و ویسکوزیته کم را برای تسهیل پراکندگی CNT ارائه می‌داد.

محققان ابتدا SWCNTها را در PPG از طریق اولتراسونیکاسیون پیش‌پراکنده کردند تا سوسپانسیون‌های همگن ایجاد کنند. سپس TPU را با سوسپانسیون‌های SWCNT/PPG با نسبت‌های مشخص با استفاده از اکستروژن دو پیچی در دمای 180-200 درجه سانتی‌گراد با سرعت پیچ 50-100 دور در دقیقه مخلوط کردند. میکسر‌های استاتیک نصب شده در خروجی اکسترودر، اختلاط و برش اضافی را برای افزایش پراکندگی CNT فراهم کردند.

این فرآیند کامپوزیت‌های مذاب TPU/SWCNT و TPU خالص را به‌طور جداگانه به تجهیزات اکستروژن چند لایه حاوی یک بلوک تغذیه اکستروژن و چندین LME تغذیه کرد. ساختار دولایه اولیه که در بلوک تغذیه تشکیل شد، تحت لایه‌بندی، کشش و ترکیب مجدد مکرر از طریق LMEها قرار گرفت و در نهایت ساختارهایی با صدها یا هزاران لایه ایجاد کرد. تنظیم نرخ جریان ذوب و مقادیر LME امکان کنترل دقیق ضخامت لایه را فراهم کرد.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) پراکندگی SWCNT را در ماتریس‌های TPU پس از اختلاط استاتیک و اکستروژن چند لایه به‌طور قابل توجهی بهبود بخشید، با کاهش قابل توجه تجمع. مشاهدات TEM بیشتر توزیع و جهت‌گیری یکنواخت SWCNT را در لایه‌های TPU تأیید کرد.

آزمایش کشش نشان داد که کامپوزیت‌های TPU/SWCNT استحکام کششی و مدول الاستیک بالاتری نسبت به TPU خالص نشان می‌دهند، اگرچه با کاهش جزئی ازدیاد طول در شکست. اکستروژن چند لایه کامپوزیت‌هایی با خواص مکانیکی ناهمسانگرد تولید کرد که استحکام کششی بالاتری را در امتداد جهت اکستروژن در مقایسه با جهت‌گیری‌های عمود نشان می‌داد.

اندازه‌گیری‌های پروب چهار نقطه‌ای آستانه رسانایی را در 0.3 درصد وزنی محتوای SWCNT نشان داد که نشان‌دهنده تشکیل شبکه رسانای مؤثر است. رسانایی با بارگذاری‌های بالاتر SWCNT همچنان افزایش یافت. اکستروژن چند لایه کامپوزیت‌هایی با رسانایی به‌طور قابل توجهی بالاتر از همتایان مخلوط شده با ذوب معمولی تولید کرد که به پراکندگی و تراز برتر SWCNT نسبت داده می‌شود.

این مطالعه نشان می‌دهد که اکستروژن چند لایه همراه با پیش‌پراکندگی SWCNT و اختلاط استاتیک به‌طور موثر رسانایی کامپوزیت TPU/SWCNT را افزایش می‌دهد. پیش‌پراکندگی انرژی سطح SWCNT و تمایلات تجمع را کاهش می‌دهد، در حالی که اختلاط استاتیک همگن‌سازی و برش ذوب کامل را فراهم می‌کند. اکستروژن چند لایه توزیع SWCNT را از طریق ساختارهای لایه‌ای کنترل‌شده بهینه می‌کند و به رسانایی استثنایی در محتوای کم CNT دست می‌یابد.

ناهمسانگردی مکانیکی مشاهده شده با جهت‌گیری SWCNT در لایه‌های TPU همبستگی دارد. در امتداد جهت اکستروژن، SWCNTهای عمدتاً تراز شده استحکام کششی را افزایش می‌دهند، در حالی که جهت‌گیری‌های عمود بیشتر تصادفی، استحکام کمتری را نشان می‌دهند.

این تحقیق با موفقیت از اکستروژن چند لایه برای تولید کامپوزیت‌های TPU/SWCNT با عملکرد بالا استفاده کرد. این مطالعه از طریق پیش‌پراکندگی SWCNT، اختلاط استاتیک و اکستروژن چند لایه، پراکندگی و تراز عالی SWCNT را به دست آورد و رسانایی برتر را در محتوای کم CNT در حالی که انعطاف‌پذیری را حفظ می‌کند، به دست آورد.

جهت‌گیری‌های تحقیقاتی آینده شامل موارد زیر است:

• بهینه‌سازی پارامترهای اکستروژن چند لایه برای افزایش عملکرد کامپوزیت
• بررسی اثرات انواع مختلف CNT بر خواص کامپوزیت
• گسترش این تکنیک به سایر کامپوزیت‌های ماتریس پلیمری
• بررسی کاربردها در مواد هوشمند و کامپوزیت‌های زیست پزشکی

اکستروژن چند لایه پتانسیل قابل توجهی را برای توسعه کامپوزیت‌های پلیمری پیشرفته ارائه می‌دهد و نوید می‌دهد که نیازهای فزاینده برای مواد با عملکرد بالا و چند منظوره را در صنایع مختلف برآورده کند.