blog Hakkında Çok Katmanlı Koekstrüzyon, TPUSWCNT Kompozit İletkenliğini Artırır

Elektronik cilt ve esnek sensörler gibi gelişmekte olan alanlarda hafif, yüksek iletken polimer kompozitlere olan artan talep, araştırmacıları yenilikçi çözümler aramaya yöneltmiştir. Olağanüstü iletkenlikleri, yüksek en-boy oranları ve hafif özellikleri ile karbon nanotüpler (CNT'ler), polimer bazlı kompozitler için ideal dolgu maddeleri olarak ortaya çıkmıştır. Ancak, düşük perkolasyon eşiklerini korurken polimer matrislerde homojen CNT dağılımı elde etme zorluğu, kritik bir araştırma odağı olmaya devam etmektedir.

CNT'ler, yaklaşık 10³ S/m'ye ulaşan öz iletkenlik ile dikkate değer elektriksel özelliklere sahiptir. İletken malzemeler oluşturmak için CNT'lerin polimer matrislere dahil edilmesi, sensörlerden ve giyilebilir cihazlardan şekil hafızalı polimerlere, kendi kendini onaran malzemelere ve enerji depolama cihazlarına kadar çeşitli uygulamalarda muazzam potansiyel gösteren, yaygın olarak kullanılan bir teknik haline gelmiştir.

Elektriksel perkolasyon eşiği (ϕc), iletken ağ oluşumu nedeniyle kompozit iletkenliğinin hızla arttığı kritik CNT konsantrasyonunu temsil eder. Teorik çalışmalar, CNT'lerin yüksek en-boy oranının, ϕc'nin son derece düşük yüklemelerde (ağırlıkça %0,1 kadar düşük) elde edilmesini sağlayabileceğini göstermektedir. Ancak, termoplastik polimerlerin yüksek viskozitesi, CNT'ler arasındaki güçlü van der Waals kuvvetleri ve CNT'ler ile polimerler arasındaki zayıf arayüzey yapışması gibi pratik zorluklar, ideal ϕc'nin minimum yüklemelerde elde edilmesini engellemiştir.

Termoplastik matris kompozitlerde, ϕc tipik olarak %0,2 ila %15 ağırlıkça CNT içeriği arasında değişir. ϕc'yi azaltmaya yönelik yaygın stratejiler arasında, yüzey modifikasyonu ve saflaştırma yoluyla CNT çözünürlüğünü/reaktivitesini artırmak ve ayrıca dağılımı iyileştirmek için uyumlulaştırıcılar kullanmak yer alır. İşleme yöntemi seçimi de optimum dolgu maddesi dağılımı elde etmek için çok önemlidir.

Çeşitli eriyik işleme teknikleri, iyi dağılmış polimer/CNT kompozitleri başarıyla üretmiştir; bunlar arasında ko-dönen çift vidalı ekstrüderler ve yoğun karıştırıcılar yer alır. Katmanlı yapı montajı gibi daha az geleneksel yaklaşımlar, seçici dolgu maddesi konumlandırması ve gelişmiş dağılım yoluyla avantajlar sunar.

Zorlanmış montaj çok katmanlı koekstrüzyon, Baker dönüşümüne dayalı olarak eriyik akışlarının tekrarlanan gerilmesi, kesilmesi ve istiflenmesi yoluyla katmanlı yapılar oluşturan sürekli, esnek bir eriyik işleme rotası sağlar. Tipik olarak, geleneksel bir koekstrüzyon besleme bloğunda iki ayrı polimer eriyiği birleşerek başlangıç ​​bir çift katmanlı yapı oluşturur, ardından eriyiği bölmek ve yeniden birleştirmek için katman çoğaltma elemanlarından (LME'ler) ardışık olarak akar ve katman sayısını kademeli olarak artırır.

Bu polimer katmanı sınırlaması, gelişmiş mekanik, gaz bariyeri, optik, dielektrik ve şekil hafızası özellikleri göstermiştir. Katman kalınlığı öncelikle her bir bileşenin çıktısına ve oluşan katman sayısına bağlıdır. Araştırma raporları, çok katmanlı koekstrüzyon yoluyla 16.384'e kadar maksimum katman sayısını ve mikronlardan nanometrelere kadar değişen katman kalınlıklarını göstermektedir.

Çalışma, DentIncx karıştırma kanalları olan küçük LME'ler kullanarak Baker dönüşümünü uygulayan bir prototip cihaz tasarladı ve imal etti. Bu yaklaşım, eriyik ekstrüzyon işlemleri için etkinliği korurken daha basit imalat gereksinimleri sunar.

Araştırma, esnekliği, aşınma direnci ve kimyasal kararlılığı nedeniyle endüstriyel sınıf termoplastik poliüretan (TPU) seçti. Yüksek saflıkta ve homojen çap dağılımına sahip tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT'ler), optimum elektriksel özellikleri sağladı. Polipropilen glikol (PPG), CNT dağılımını kolaylaştırmak için iyi uyumluluk ve düşük viskozite sunan SWCNT ön dağıtıcı olarak hizmet etti.

Araştırmacılar önce homojen süspansiyonlar oluşturmak için SWCNT'leri ultrasonikasyon yoluyla PPG'de önceden dağıttılar. Daha sonra, TPU'yu, 180-200°C'de 50-100 rpm vida hızlarında çift vidalı ekstrüzyon kullanarak belirli oranlarda SWCNT/PPG süspansiyonları ile karıştırdılar. Ekstrüder çıkışına monte edilen statik karıştırıcılar, CNT dağılımını iyileştirmek için ek karıştırma ve kesme sağladı.

İşlem, erimiş TPU/SWCNT kompozitlerini ve saf TPU'yu ayrı ayrı, bir koekstrüzyon besleme bloğu ve çoklu LME'ler içeren çok katmanlı koekstrüzyon ekipmanına besledi. Besleme bloğunda oluşan başlangıç ​​çift katmanlı yapı, LME'ler aracılığıyla tekrarlanan katmanlama, germe ve yeniden birleşmeye maruz kaldı ve sonuçta yüzlerce veya binlerce katmana sahip yapılar oluşturdu. Eriyik akış hızlarını ve LME miktarlarını ayarlamak, katman kalınlığı üzerinde hassas kontrol sağladı.

Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve transmisyon elektron mikroskobu (TEM), statik karıştırma ve çok katmanlı koekstrüzyondan sonra TPU matrislerde önemli ölçüde iyileştirilmiş SWCNT dağılımını ve belirgin şekilde azaltılmış topaklanmayı ortaya koydu. TEM gözlemleri ayrıca TPU katmanları içinde homojen SWCNT dağılımını ve yönelimini doğruladı.

Çekme testleri, TPU/SWCNT kompozitlerinin saf TPU'dan daha yüksek çekme dayanımı ve elastik modüle sahip olduğunu, ancak kopmada biraz daha düşük uzama ile sonuçlandığını gösterdi. Çok katmanlı koekstrüzyon, ekstrüzyon yönünde dik yönlere kıyasla daha yüksek çekme dayanımı gösteren, anizotropik mekanik özelliklere sahip kompozitler üretti.

Dört noktalı prob ölçümleri, %0,3 ağırlıkça SWCNT içeriğinde bir iletkenlik eşiği ortaya koydu ve etkili iletken ağ oluşumunu gösterdi. İletkenlik, daha yüksek SWCNT yüklemeleriyle artmaya devam etti. Çok katmanlı koekstrüzyon, geleneksel eriyik karıştırmalı muadillerine göre önemli ölçüde daha yüksek iletkenliğe sahip kompozitler üretti; bu, üstün SWCNT dağılımına ve hizalanmasına bağlandı.

Çalışma, çok katmanlı koekstrüzyonun, SWCNT ön dağılımı ve statik karıştırma ile birleştirildiğinde, TPU/SWCNT kompozit iletkenliğini etkili bir şekilde artırdığını göstermektedir. Ön dağılım, SWCNT yüzey enerjisini ve topaklanma eğilimlerini azaltırken, statik karıştırma, kapsamlı eriyik homojenleşmesi ve kesme sağlar. Çok katmanlı koekstrüzyon, kontrollü katmanlı yapılar aracılığıyla SWCNT dağılımını optimize ederek, düşük CNT içeriğinde olağanüstü iletkenlik elde eder.

Gözlemlenen mekanik anizotropi, TPU katmanları içindeki SWCNT yönelimi ile ilişkilidir. Ekstrüzyon yönü boyunca, ağırlıklı olarak hizalanmış SWCNT'ler çekme dayanımını artırırken, daha rastgele dik yönler daha düşük dayanım gösterir.

Bu araştırma, yüksek performanslı TPU/SWCNT kompozitleri üretmek için çok katmanlı koekstrüzyonu başarıyla kullanmıştır. SWCNT ön dağılımı, statik karıştırma ve çok katmanlı koekstrüzyon yoluyla, çalışma mükemmel SWCNT dağılımı ve hizalanması elde ederek, düşük CNT içeriğinde üstün iletkenlik sağlarken esnekliği korumuştur.

Gelecekteki araştırma yönleri şunları içerir:

• Gelişmiş kompozit performansı için çok katmanlı koekstrüzyon parametrelerini optimize etmek
• Farklı CNT türlerinin kompozit özellikleri üzerindeki etkilerini araştırmak
• Tekniği diğer polimer matris kompozitlere genişletmek
• Akıllı malzemeler ve biyomedikal kompozitlerdeki uygulamaları araştırmak

Çok katmanlı koekstrüzyon, çeşitli endüstrilerde yüksek performanslı, çok işlevli malzemelere yönelik artan talepleri karşılamayı vaat eden, gelişmiş polimer kompozit geliştirme için önemli bir potansiyel sunmaktadır.