ข่าว บริษัท เกี่ยวกับ การอัดรีดร่วมหลายชั้นช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าของคอมโพสิต TPUSWCNT

ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับวัสดุผสมโพลิเมอร์น้ำหนักเบาและนำไฟฟ้าสูงในสาขาใหม่ๆ เช่น ผิวหนังอิเล็กทรอนิกส์และเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่น ได้ผลักดันให้นักวิจัยสำรวจแนวทางแก้ไขที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ท่อนาโนคาร์บอน (CNT) ซึ่งมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าที่โดดเด่น อัตราส่วนรูปร่างสูง และคุณสมบัติที่มีน้ำหนักเบา ได้กลายเป็นสารเติมแต่งในอุดมคติสำหรับวัสดุผสมจากโพลิเมอร์ อย่างไรก็ตาม ความท้าทายในการทำให้ CNT กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในเมทริกซ์โพลิเมอร์ ในขณะที่ยังคงรักษาเกณฑ์การซึมผ่านต่ำไว้ได้ ยังคงเป็นประเด็นหลักในการวิจัย

CNTs มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่โดดเด่น โดยมีการนำไฟฟ้าโดยธรรมชาติสูงถึงประมาณ 10³ S/m การรวม CNTs เข้าไปในเมทริกซ์โพลิเมอร์เพื่อสร้างวัสดุนำไฟฟ้าได้กลายเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพมหาศาลในการใช้งานตั้งแต่เซ็นเซอร์และอุปกรณ์สวมใส่ได้ ไปจนถึงโพลิเมอร์ที่จดจำรูปร่างได้ วัสดุซ่อมแซมตัวเอง และอุปกรณ์จัดเก็บพลังงาน

เกณฑ์การซึมผ่านทางไฟฟ้า (ϕc) แสดงถึงความเข้มข้นของ CNT ที่สำคัญ ซึ่งการนำไฟฟ้าของวัสดุผสมจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากการก่อตัวของเครือข่ายนำไฟฟ้า การศึกษาเชิงทฤษฎีแนะนำว่าอัตราส่วนรูปร่างสูงของ CNTs สามารถทำให้เกิด ϕc ที่ปริมาณการโหลดต่ำมาก (ต่ำถึง 0.1% โดยน้ำหนัก) อย่างไรก็ตาม ความท้าทายในทางปฏิบัติ รวมถึงความหนืดสูงของโพลิเมอร์เทอร์โมพลาสติก แรงแวนเดอร์วาลส์ที่แข็งแกร่งระหว่าง CNTs และการยึดเกาะระหว่าง CNTs และโพลิเมอร์ที่ไม่ดี ได้ขัดขวางการบรรลุ ϕc ในอุดมคติที่ปริมาณการโหลดน้อยที่สุด

ในวัสดุผสมเมทริกซ์เทอร์โมพลาสติก ϕc โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 0.2 ถึง 15% โดยน้ำหนักของ CNT กลยุทธ์ทั่วไปในการลด ϕc ได้แก่ การเพิ่มความสามารถในการละลาย/ปฏิกิริยาของ CNT ผ่านการปรับสภาพพื้นผิวและการทำให้บริสุทธิ์ รวมถึงการใช้สารเข้ากันได้เพื่อปรับปรุงการกระจายตัว การเลือกวิธีการประมวลผลยังพิสูจน์ให้เห็นถึงความสำคัญในการบรรลุการกระจายตัวของสารเติมแต่งที่ดีที่สุด

เทคนิคการประมวลผลแบบหลอมเหลวต่างๆ ได้ผลิตวัสดุผสมโพลิเมอร์/CNT ที่กระจายตัวได้ดีสำเร็จแล้ว รวมถึงเครื่องอัดรีดสกรูคู่แบบหมุนร่วมและเครื่องผสมแบบเข้มข้น แนวทางที่ไม่เป็นไปตามแบบแผน เช่น การประกอบโครงสร้างแบบเลเยอร์ มีข้อได้เปรียบผ่านการวางตำแหน่งสารเติมแต่งแบบเลือกสรรและการกระจายตัวที่ดีขึ้น

การประกอบแบบบังคับด้วยการอัดขึ้นรูปหลายชั้นให้เส้นทางประมวลผลแบบหลอมเหลวที่ต่อเนื่องและยืดหยุ่น ซึ่งสร้างโครงสร้างแบบเลเยอร์ผ่านการยืด การตัด และการซ้อนซ้ำๆ ของการไหลของหลอมเหลวตามการแปลงของเบเกอร์ โดยทั่วไป การหลอมเหลวของโพลิเมอร์สองชนิดแยกกันจะรวมกันในบล็อกป้อนการอัดขึ้นรูปทั่วไปเพื่อสร้างโครงสร้างสองชั้นเริ่มต้น จากนั้นจะไหลผ่านองค์ประกอบการคูณชั้น (LMEs) ตามลำดับ ซึ่งจะแยกและรวมการหลอมเหลวเพื่อเพิ่มจำนวนชั้นทีละน้อย

การจำกัดชั้นโพลิเมอร์นี้ได้แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติทางกลที่ดีขึ้น อุปสรรคก๊าซ คุณสมบัติทางแสง ไดอิเล็กทริก และคุณสมบัติที่จดจำรูปร่างได้ ความหนาของชั้นส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับผลผลิตของแต่ละส่วนประกอบและจำนวนชั้นที่เกิดขึ้น รายงานการวิจัยระบุว่าจำนวนชั้นสูงสุดคือ 16,384 ผ่านการอัดขึ้นรูปหลายชั้น โดยมีความหนาของชั้นตั้งแต่ไมครอนถึงนาโนเมตร

การศึกษาได้ออกแบบและผลิตอุปกรณ์ต้นแบบโดยใช้การแปลงของเบเกอร์โดยใช้ LMEs ขนาดเล็กที่มีช่องผสม DentIncx แนวทางนี้มีข้อกำหนดในการผลิตที่ง่ายกว่า ในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพสำหรับกระบวนการอัดขึ้นรูปหลอมเหลว

การวิจัยเลือกใช้โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติก (TPU) เกรดอุตสาหกรรมเนื่องจากความยืดหยุ่น ทนต่อการสึกหรอ และความเสถียรทางเคมี ท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (SWCNT) ที่มีความบริสุทธิ์สูงและการกระจายตัวของเส้นผ่านศูนย์กลางสม่ำเสมอช่วยให้มั่นใจได้ถึงคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีที่สุด โพรพิลีนไกลคอล (PPG) ทำหน้าที่เป็นสารกระจายตัวล่วงหน้าของ SWCNT โดยให้ความเข้ากันได้ดีและความหนืดต่ำเพื่ออำนวยความสะดวกในการกระจายตัวของ CNT

นักวิจัยได้กระจาย SWCNTs ล่วงหน้าใน PPG ผ่านการใช้คลื่นเสียงความถี่สูงเพื่อสร้างสารแขวนลอยที่เป็นเนื้อเดียวกัน จากนั้นจึงผสม TPU กับสารแขวนลอย SWCNT/PPG ในอัตราส่วนเฉพาะโดยใช้การอัดขึ้นรูปสกรูคู่ที่ 180-200°C ด้วยความเร็วสกรู 50-100 รอบต่อนาที เครื่องผสมแบบคงที่ที่ติดตั้งที่ทางออกของเครื่องอัดรีดให้การผสมและการเฉือนเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มการกระจายตัวของ CNT

กระบวนการป้อนวัสดุผสม TPU/SWCNT หลอมเหลวและ TPU บริสุทธิ์แยกกันลงในอุปกรณ์อัดขึ้นรูปหลายชั้นที่มีบล็อกป้อนการอัดขึ้นรูปและ LMEs หลายตัว โครงสร้างสองชั้นเริ่มต้นที่เกิดขึ้นในบล็อกป้อนผ่านการแบ่งชั้น การยืด และการรวมตัวซ้ำๆ ผ่าน LMEs ในที่สุดก็สร้างโครงสร้างที่มีหลายร้อยหรือหลายพันชั้น การปรับอัตราการไหลของหลอมเหลวและปริมาณ LME ทำให้สามารถควบคุมความหนาของชั้นได้อย่างแม่นยำ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) เผยให้เห็นการกระจายตัวของ SWCNT ที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในเมทริกซ์ TPU หลังจากการผสมแบบคงที่และการอัดขึ้นรูปหลายชั้น โดยมีการรวมตัวเป็นก้อนลดลงอย่างเห็นได้ชัด การสังเกตการณ์ TEM ยืนยันการกระจายตัวและการวางแนวของ SWCNT ที่สม่ำเสมอภายในชั้น TPU

การทดสอบแรงดึงแสดงให้เห็นว่าวัสดุผสม TPU/SWCNT มีความแข็งแรงและโมดูลัสยืดหยุ่นสูงกว่า TPU บริสุทธิ์ แม้ว่าการยืดตัวเมื่อขาดจะลดลงเล็กน้อย การอัดขึ้นรูปหลายชั้นผลิตวัสดุผสมที่มีคุณสมบัติทางกลแบบแอนไอโซโทรปิก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงในการดึงสูงกว่าตามทิศทางการอัดขึ้นรูปเมื่อเทียบกับการวางแนวตั้งฉาก

การวัดโพรบสี่จุดเผยให้เห็นเกณฑ์การนำไฟฟ้าที่ 0.3% โดยน้ำหนักของ SWCNT ซึ่งบ่งบอกถึงการก่อตัวของเครือข่ายนำไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ การนำไฟฟ้ายังคงเพิ่มขึ้นด้วยปริมาณการโหลด SWCNT ที่สูงขึ้น การอัดขึ้นรูปหลายชั้นผลิตวัสดุผสมที่มีการนำไฟฟ้าสูงกว่าเมื่อเทียบกับวัสดุผสมแบบหลอมเหลวแบบเดิมอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเกิดจากการกระจายตัวและการจัดตำแหน่ง SWCNT ที่เหนือกว่า

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการอัดขึ้นรูปหลายชั้นร่วมกับการกระจายตัวล่วงหน้าของ SWCNT และการผสมแบบคงที่ช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าของวัสดุผสม TPU/SWCNT ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การกระจายตัวล่วงหน้าช่วยลดพลังงานพื้นผิวและแนวโน้มการรวมตัวเป็นก้อนของ SWCNT ในขณะที่การผสมแบบคงที่ให้การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและการเฉือนของหลอมเหลวอย่างทั่วถึง การอัดขึ้นรูปหลายชั้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายตัวของ SWCNT ผ่านโครงสร้างแบบเลเยอร์ที่ควบคุม ทำให้ได้การนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมที่ปริมาณ CNT ต่ำ

ความสัมพันธ์แบบแอนไอโซโทรปิกทางกลที่สังเกตได้สัมพันธ์กับการวางแนว SWCNT ภายในชั้น TPU ตามทิศทางการอัดขึ้นรูป SWCNTs ที่จัดเรียงส่วนใหญ่จะเพิ่มความแข็งแรงในการดึง ในขณะที่การวางแนวตั้งฉากแบบสุ่มมากขึ้นจะแสดงความแข็งแรงที่ต่ำกว่า

การวิจัยนี้ประสบความสำเร็จในการใช้การอัดขึ้นรูปหลายชั้นเพื่อผลิตวัสดุผสม TPU/SWCNT ประสิทธิภาพสูง ผ่านการกระจายตัวล่วงหน้าของ SWCNT การผสมแบบคงที่ และการอัดขึ้นรูปหลายชั้น การศึกษาประสบความสำเร็จในการกระจายตัวและการจัดตำแหน่ง SWCNT ที่ยอดเยี่ยม ทำให้ได้การนำไฟฟ้าที่เหนือกว่าที่ปริมาณ CNT ต่ำ ในขณะที่ยังคงความยืดหยุ่นไว้ได้

ทิศทางการวิจัยในอนาคต ได้แก่:

• การปรับพารามิเตอร์การอัดขึ้นรูปหลายชั้นให้เหมาะสมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุผสม
• การตรวจสอบผลกระทบของ CNT ประเภทต่างๆ ที่มีต่อคุณสมบัติของวัสดุผสม
• การขยายเทคนิคไปยังวัสดุผสมเมทริกซ์โพลิเมอร์อื่นๆ
• การสำรวจการใช้งานในวัสดุอัจฉริยะและวัสดุผสมชีวการแพทย์

การอัดขึ้นรูปหลายชั้นนำเสนอศักยภาพที่สำคัญสำหรับการพัฒนาวัสดุผสมโพลิเมอร์ขั้นสูง ซึ่งสัญญาว่าจะตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงและใช้งานได้หลากหลายในอุตสาหกรรมต่างๆ