「3Dプリント」高配向液晶ポリマー

「3Dプリント」高配向液晶ポリマー
出典:高分子材料成形の原理 「3Dプリント」といった最先端技術は、誰もがよく知っていることだと思います。この技術を使用すると、印刷材料を層ごとに積み重ねて、設計図で設計されたオブジェクトを作成できます。

3D プリントポリマー - 配向または非配向<br /> 3D プリントの発展に伴い、ポリマーの 3D プリント技術はより成熟しつつあります。現在、3D プリントされたポリマーは非常に微細で複雑な構造を実現できますが、その機械的特性は劣る場合が多くあります。これは、ポリマーの配向度が非常に低いか、または配向されていないためです。

配向により、配向方向におけるポリマーの機械的特性、光学的特性などが大幅に向上します。ヤング率は、値によって 4 桁も異なることがあります。

サーモトロピック芳香族ポリエステル液晶(LCP)
サーモトロピック芳香族ポリエステル液晶 (LCP) は、材料の融点よりも高い温度で自己組織化して高度に配向したドメインを形成できます。この特性により、LCP は 3D 印刷プロセス (溶融および押し出し) 中に配向しやすくなり、高度に配向した高性能液晶ポリマーを印刷できます。

「シェル」構造<br /> 印刷プロセス中、表面に近い LCP は熱をより速く放散するため、LCP の向きは固定されます。しかし、コアに近い領域は依然として温度が高く、脱配向効果は依然として非常に強く、LCP は部分的にしか配向されていません。これにより、印刷された繊維は「シェル」構造に似たものになります。この構造では、配向度が異なるため、方向によって異なる機械的特性を示します。より脆弱なシェルが破損しても、そのコアはそのまま残り、一定の機械的特性を維持します。


ノズルパラメータが繊維の機械的特性に与える影響
【1】ノズル径(dN)
ノズル径が大きくなると、繊維の機械的性質が低下します。これは、中央の高温領域の割合が大きくなり、最も配向度の高いシェルの割合が減少し、結果として全体の平均配向度が低下するためです。

【2】厚さ(h)
繊維が太くなると機械的特性は低下しますが、これはシェル層の割合が減少するためでもあり、全体的な平均配向度が低下します。


【3】ノズル温度(TN)
温度が高くなるほど、繊維の機械的特性は低下します。高温により中心部の脱配向効果が強くなり、全体的な平均配向度が低下します。


結論 3D 印刷プロセス中、サーモトロピック液晶ポリマーは高い配向を示し、独自のコアシェル構造を形成します。製造された繊維は優れた機械的特性を持っています。機械的特性は、3D プリントで一般的に使用されるポリマーよりも数桁高くなります。これは、将来の航空宇宙、バイオメディカル、その他の分野における軽量で高強度の材料の製造に無限の可能性をもたらします。

参考文献:
【1】階層的液晶ポリマー構造の3次元印刷。Silvan Gantenbein、Kunal Masania、Wilhelm Woigk、Jens PW Sesseg、Theo A. Tervoort、André R.Studart
ネイチャー第561巻、226~230ページ(2018年)

生物学、航空宇宙

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