Блог около Многослойная соэкструзия повышает проводимость композитов ТПУ-УНТ

Растущий спрос на легкие, высокопроводящие полимерные композиты в таких новых областях, как электронная кожа и гибкие датчики, побудил исследователей искать инновационные решения. Углеродные нанотрубки (УНТ) с их исключительной проводимостью, высоким коэффициентом формы и легкостью стали идеальными наполнителями для полимерных композитов. Однако задача достижения равномерной дисперсии УНТ в полимерных матрицах при сохранении низких пороговых значений перколяции остается критическим направлением исследований.

УНТ обладают замечательными электрическими свойствами, с собственной проводимостью, достигающей примерно 10³ С/м. Включение УНТ в полимерные матрицы для создания проводящих материалов стало широко используемой технологией, демонстрирующей огромный потенциал в приложениях, начиная от датчиков и носимых устройств до полимеров с памятью формы, самовосстанавливающихся материалов и устройств накопления энергии.

Пороговое значение электрической перколяции (ϕc) представляет собой критическую концентрацию УНТ, при которой проводимость композита быстро увеличивается из-за образования проводящей сети. Теоретические исследования показывают, что высокий коэффициент формы УНТ может позволить достичь ϕc при чрезвычайно низких загрузках (всего 0,1% по весу). Однако практические проблемы, включая высокую вязкость термопластичных полимеров, сильные силы Ван-дер-Ваальса между УНТ и слабую адгезию между УНТ и полимерами, препятствовали достижению идеального ϕc при минимальных загрузках.

В композитах с термопластичной матрицей ϕc обычно составляет от 0,2 до 15% по весу содержания УНТ. Общие стратегии снижения ϕc включают повышение растворимости/реакционной способности УНТ посредством модификации поверхности и очистки, а также использование компатибилизаторов для улучшения дисперсии. Выбор метода обработки также имеет решающее значение для достижения оптимального распределения наполнителя.

Различные методы обработки расплавом успешно применялись для получения хорошо диспергированных композитов полимер/УНТ, включая двухшнековые экструдеры встречного вращения и интенсивные смесители. Менее традиционные подходы, такие как сборка слоистой структуры, предлагают преимущества за счет селективного позиционирования наполнителя и улучшения дисперсии.

Многослойная соэкструзия с принудительной сборкой обеспечивает непрерывный, гибкий способ обработки расплавом, который создает слоистые структуры посредством многократного растяжения, резки и штабелирования потоков расплава на основе преобразования Бейкера. Как правило, два отдельных полимерных расплава соединяются в обычном питающем блоке соэкструзии для формирования начальной двухслойной структуры, затем последовательно проходят через элементы умножения слоев (LME), которые разделяют и рекомбинируют расплав для постепенного увеличения количества слоев.

Это ограничение полимерного слоя продемонстрировало улучшенные механические свойства, газобарьерные свойства, оптические, диэлектрические свойства и свойства памяти формы. Толщина слоя в основном зависит от выхода каждого компонента и количества сформированных слоев. Отчеты об исследованиях показывают максимальное количество слоев 16 384 посредством многослойной соэкструзии, при этом толщина слоев варьируется от микрон до нанометров.

В исследовании было разработано и изготовлено прототипное устройство, применяющее преобразование Бейкера с использованием небольших LME с каналами смешивания DentIncx. Этот подход предлагает более простые требования к производству, сохраняя при этом эффективность для процессов экструзии расплава.

В исследовании был выбран термопластичный полиуретан (ТПУ) промышленного класса из-за его гибкости, износостойкости и химической стабильности. Одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) с высокой чистотой и равномерным распределением диаметров обеспечивали оптимальные электрические свойства. Полипропиленгликоль (ППГ) служил предварительным диспергатором ОУНТ, обеспечивая хорошую совместимость и низкую вязкость для облегчения дисперсии УНТ.

Исследователи сначала предварительно диспергировали ОУНТ в ППГ посредством ультразвуковой обработки для создания однородных суспензий. Затем они смешали ТПУ с суспензиями ОУНТ/ППГ в определенных соотношениях, используя двухшнековую экструзию при температуре 180-200°C со скоростью вращения шнека 50-100 об/мин. Статические смесители, установленные на выходе экструдера, обеспечивали дополнительное смешивание и сдвиг для улучшения дисперсии УНТ.

В процессе расплавленные композиты ТПУ/ОУНТ и чистый ТПУ подавались отдельно в оборудование для многослойной соэкструзии, содержащее питающий блок соэкструзии и несколько LME. Начальная двухслойная структура, сформированная в питающем блоке, подвергалась многократному наслоению, растяжению и рекомбинации через LME, в конечном итоге создавая структуры с сотнями или тысячами слоев. Регулировка скоростей потока расплава и количества LME обеспечивала точный контроль над толщиной слоя.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) выявили значительно улучшенную дисперсию ОУНТ в матрицах ТПУ после статического смешивания и многослойной соэкструзии со значительно уменьшенной агломерацией. Наблюдения ПЭМ дополнительно подтвердили равномерное распределение и ориентацию ОУНТ в слоях ТПУ.

Испытания на растяжение показали, что композиты ТПУ/ОУНТ демонстрировали более высокую прочность на растяжение и модуль упругости, чем чистый ТПУ, хотя и с несколько уменьшенным удлинением при разрыве. Многослойная соэкструзия производила композиты с анизотропными механическими свойствами, показывая более высокую прочность на растяжение вдоль направления экструзии по сравнению с перпендикулярными ориентациями.

Измерения четырехзондовым методом выявили порог проводимости при содержании ОУНТ 0,3% по весу, что указывает на эффективное формирование проводящей сети. Проводимость продолжала увеличиваться с более высокими загрузками ОУНТ. Многослойная соэкструзия производила композиты со значительно более высокой проводимостью, чем обычные компаунды, смешанные в расплаве, что объясняется превосходной дисперсией и выравниванием ОУНТ.

Исследование показывает, что многослойная соэкструзия в сочетании с предварительной дисперсией ОУНТ и статическим смешиванием эффективно повышает проводимость композитов ТПУ/ОУНТ. Предварительная дисперсия снижает поверхностную энергию ОУНТ и тенденцию к агломерации, в то время как статическое смешивание обеспечивает тщательную гомогенизацию расплава и сдвиг. Многослойная соэкструзия оптимизирует распределение ОУНТ посредством контролируемых слоистых структур, достигая исключительной проводимости при низком содержании УНТ.

Наблюдаемая механическая анизотропия коррелирует с ориентацией ОУНТ в слоях ТПУ. Вдоль направления экструзии преимущественно выровненные ОУНТ увеличивают прочность на растяжение, в то время как более случайные перпендикулярные ориентации показывают меньшую прочность.

В этом исследовании успешно использовалась многослойная соэкструзия для производства высокоэффективных композитов ТПУ/ОУНТ. Благодаря предварительной дисперсии ОУНТ, статическому смешиванию и многослойной соэкструзии в исследовании была достигнута отличная дисперсия и выравнивание ОУНТ, что привело к превосходной проводимости при низком содержании УНТ при сохранении гибкости.

Направления будущих исследований включают:

• Оптимизацию параметров многослойной соэкструзии для повышения производительности композитов
• Исследование влияния различных типов УНТ на свойства композитов
• Распространение этой техники на другие полимерные матричные композиты
• Изучение применений в умных материалах и биомедицинских композитах

Многослойная соэкструзия представляет значительный потенциал для разработки передовых полимерных композитов, обещая удовлетворить растущие потребности в высокоэффективных, многофункциональных материалах в различных отраслях.