blog over Meerlagige coëxtrusie verbetert de geleidbaarheid van TPU-SWCNT-composiet

De groeiende vraag naar lichtgewicht, hooggeleidende polymeercomposieten in opkomende gebieden zoals elektronische huid en flexibele sensoren heeft onderzoekers ertoe aangezet om innovatieve oplossingen te verkennen. Koolstofnanobuisjes (CNT's), met hun uitzonderlijke geleidbaarheid, hoge aspectverhouding en lichtgewicht eigenschappen, zijn naar voren gekomen als ideale vulstoffen voor composieten op polymeerbasis. De uitdaging om een uniforme CNT-dispersie in polymeermatrices te bereiken en tegelijkertijd lage percolatiedrempels te behouden, blijft echter een kritieke focus van onderzoek.

CNT's bezitten opmerkelijke elektrische eigenschappen, met een intrinsieke geleidbaarheid die ongeveer 10³ S/m bereikt. Het opnemen van CNT's in polymeermatrices om geleidende materialen te creëren, is een veelgebruikte techniek geworden, die een enorme potentie toont in toepassingen variërend van sensoren en draagbare apparaten tot vormgeheugenpolymeren, zelfherstellende materialen en energieopslagapparaten.

De elektrische percolatiedrempel (ϕc) vertegenwoordigt de kritieke CNT-concentratie waarbij de composietgeleidbaarheid snel toeneemt als gevolg van de vorming van een geleidend netwerk. Theoretische studies suggereren dat de hoge aspectverhouding van CNT's het mogelijk zou kunnen maken om ϕc te bereiken bij extreem lage belastingen (zo laag als 0,1 gew.%). Praktische uitdagingen, waaronder de hoge viscositeit van thermoplastische polymeren, sterke van der Waals-krachten tussen CNT's en zwakke grensvlakhechting tussen CNT's en polymeren, hebben echter het bereiken van een ideale ϕc bij minimale belastingen belemmerd.

In thermoplastische matrixcomposieten ligt ϕc typisch tussen 0,2 en 15 gew.% CNT-gehalte. Veelvoorkomende strategieën om ϕc te verminderen, omvatten het verbeteren van de oplosbaarheid/reactiviteit van CNT's door oppervlaktemodificatie en zuivering, evenals het gebruik van compatibilisatoren om de dispersie te verbeteren. De selectie van de verwerkingsmethode blijkt ook cruciaal voor het bereiken van een optimale vulstofverdeling.

Verschillende smeltverwerkingstechnieken hebben met succes goed gedispergeerde polymeer/CNT-composieten geproduceerd, waaronder co-roterende dubbelschroefsextruders en intensieve mixers. Minder conventionele benaderingen zoals de assemblage van gelaagde structuren bieden voordelen door selectieve vulstofpositionering en verbeterde dispersie.

Geforceerde assemblage meerlaagse co-extrusie biedt een continue, flexibele smeltverwerkingsroute die gelaagde structuren creëert door herhaaldelijk strekken, snijden en stapelen van smeltstromen op basis van de baker's transformatie. Typisch worden twee afzonderlijke polymeersmelten samengevoegd in een conventionele co-extrusie-feedblock om een initiële tweelaagse structuur te vormen, die vervolgens achtereenvolgens door laagvermenigvuldigende elementen (LME's) stroomt die de smelt splitsen en recombineren om het aantal lagen geleidelijk te verhogen.

Deze polymeerlaagbeperking heeft verbeterde mechanische, gasbarrière-, optische, diëlektrische en vormgeheugeneigenschappen aangetoond. De laagdikte hangt voornamelijk af van de output van elke component en het aantal gevormde lagen. Onderzoeksrapporten geven maximale laaggetallen van 16.384 aan door middel van meerlaagse co-extrusie, met laagdiktes variërend van micrometers tot nanometers.

De studie ontwierp en fabriceerde een prototype-apparaat dat de baker's transformatie toepaste met behulp van kleine LME's met DentIncx-mengkanalen. Deze aanpak biedt eenvoudigere fabricagevereisten en behoudt tegelijkertijd de effectiviteit voor smelt-extrusieprocessen.

Het onderzoek selecteerde industrieel thermoplastisch polyurethaan (TPU) vanwege zijn flexibiliteit, slijtvastheid en chemische stabiliteit. Single-wall carbon nanotubes (SWCNT's) met hoge zuiverheid en uniforme diameterverdeling zorgden voor optimale elektrische eigenschappen. Polypropyleenglycol (PPG) diende als SWCNT-pre-dispergeermiddel en bood een goede compatibiliteit en lage viscositeit om de CNT-dispersie te vergemakkelijken.

Onderzoekers pre-dispergeerden eerst SWCNT's in PPG door middel van ultrasoon geluid om homogene suspensies te creëren. Vervolgens mengden ze TPU met SWCNT/PPG-suspensies in specifieke verhoudingen met behulp van dubbelschroefsextrusie bij 180-200°C met schroefsnelheden van 50-100 rpm. Statische mixers die aan de uitgang van de extruder waren geïnstalleerd, zorgden voor extra menging en afschuiving om de CNT-dispersie te verbeteren.

Het proces voerde gesmolten TPU/SWCNT-composieten en puur TPU afzonderlijk in meerlaagse co-extrusieapparatuur die een co-extrusie-feedblock en meerdere LME's bevatte. De initiële tweelaagse structuur die in de feedblock werd gevormd, onderging herhaalde gelaagdheid, stretching en recombinatie door LME's, waardoor uiteindelijk structuren met honderden of duizenden lagen werden gecreëerd. Het aanpassen van de smeltstroomsnelheden en LME-hoeveelheden maakte een precieze controle over de laagdikte mogelijk.

Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) onthulden een aanzienlijk verbeterde SWCNT-dispersie in TPU-matrices na statisch mengen en meerlaagse co-extrusie, met een duidelijk verminderde agglomeratie. TEM-waarnemingen bevestigden verder een uniforme SWCNT-verdeling en -oriëntatie binnen TPU-lagen.

Trekproeven toonden aan dat TPU/SWCNT-composieten een hogere treksterkte en elasticiteitsmodulus vertoonden dan puur TPU, hoewel met een iets verminderde rek bij breuk. Meerlaagse co-extrusie produceerde composieten met anisotrope mechanische eigenschappen, die een hogere treksterkte langs de extrusierichting vertoonden in vergelijking met loodrechte oriëntaties.

Vierpunts-probe-metingen onthulden een geleidbaarheidsdrempel bij 0,3 gew.% SWCNT-gehalte, wat duidt op effectieve geleidende netwerkvorming. De geleidbaarheid bleef toenemen met hogere SWCNT-belastingen. Meerlaagse co-extrusie produceerde composieten met een aanzienlijk hogere geleidbaarheid dan conventionele smeltgemengde tegenhangers, toegeschreven aan superieure SWCNT-dispersie en -uitlijning.

De studie toont aan dat meerlaagse co-extrusie in combinatie met SWCNT-pre-dispersie en statisch mengen de geleidbaarheid van TPU/SWCNT-composieten effectief verbetert. Pre-dispersie vermindert de oppervlakte-energie van SWCNT's en agglomeratietendensen, terwijl statisch mengen een grondige smelthomogenisering en afschuiving biedt. Meerlaagse co-extrusie optimaliseert de SWCNT-verdeling door middel van gecontroleerde gelaagde structuren, waardoor een uitzonderlijke geleidbaarheid wordt bereikt bij een laag CNT-gehalte.

De waargenomen mechanische anisotropie correleert met de SWCNT-oriëntatie binnen TPU-lagen. Langs de extrusierichting verhogen overwegend uitgelijnde SWCNT's de treksterkte, terwijl meer willekeurige loodrechte oriëntaties een lagere sterkte vertonen.

Dit onderzoek heeft met succes meerlaagse co-extrusie gebruikt om hoogwaardige TPU/SWCNT-composieten te produceren. Door SWCNT-pre-dispersie, statisch mengen en meerlaagse co-extrusie bereikte de studie een uitstekende SWCNT-dispersie en -uitlijning, wat resulteerde in een superieure geleidbaarheid bij een laag CNT-gehalte met behoud van flexibiliteit.

Toekomstige onderzoeksrichtingen omvatten:

• Het optimaliseren van meerlaagse co-extrusieparameters voor verbeterde composietprestaties
• Het onderzoeken van de effecten van verschillende CNT-typen op composieteigenschappen
• Het uitbreiden van de techniek naar andere polymeermatrixcomposieten
• Het verkennen van toepassingen in slimme materialen en biomedische composieten

Meerlaagse co-extrusie biedt een aanzienlijk potentieel voor de ontwikkeling van geavanceerde polymeercomposieten en belooft te voldoen aan de groeiende vraag naar hoogwaardige, multifunctionele materialen in verschillende industrieën.