カーボンナノチューブ感光性樹脂3Dプリント材料、UNSWが協力を模索

2018年7月、オーストラリアのニューサウスウェールズ大学のチャールズ博士がアンタークティックベアに連絡し、「ニューサウスウェールズ大学とオーストラリア国立大学の協力チームは、改良型カーボンナノチューブ感光性樹脂3Dプリント材料と新型光開始剤を開発しました。これにより、緑色光下での3Dプリントが可能になります。このナノ複合材料は、光硬化性樹脂の機械的特性を高めることができます。どのような業界で使用できるのでしょうか？」と述べました。

多くの場合、高い性能（高い機械的強度など）が求められる特定の業界では、光硬化型 3D プリンターを使用して高強度、高精度の部品を迅速に製造したいと考えていますが、樹脂材料の性能を満たすことは困難です。米国のカーボン社とアディダス社が共同開発したスポーツシューズ用樹脂素材は、靭性が高いなどの特性があり、幅広く活用できる。さまざまな業界の人から、業界のニーズに適した 3D プリント材料があるかどうか Antarctic Bear によく尋ねられます。

このオーストラリアの大学が開発したカーボンナノチューブ感光性樹脂3Dプリント材料を見てみましょう。ご興味がございましたら、Antarctic Bear WeChat 3125836244に連絡して、コミュニケーションと協力をお願いします。

△光硬化型3Dプリントの原理

光硬化とは、光開始剤に一定波長の光を照射すると、フリーラジカルまたは陰イオンと陽イオンが生成され、感光性樹脂の液体分子が互いに結合して重合し、架橋ポリマーネットワーク（固体）を形成するプロセスです。光硬化 3D 印刷プロセスは、この材料を架橋して硬化させるプロセスです。一般的な光硬化メカニズムは、一般的に光開始フリーラジカル重合と光開始カチオン重合です。このプロジェクトでは、可視光開始フリーラジカル重合メカニズムを採用しています。

光硬化型 3D プリントのプロセスでは、光開始重合システムがその材料性能の中核となります。溶剤の使用を必要とせず、環境に優しく、重合速度が速いことから、ますます注目を集めています。しかし、これらの光開始剤システム、特にUV硬化システム（国内外の一般的な光硬化型3DプリンターはすべてUVシステムを採用）には、まだ多くの問題が残っています。

たとえば、光開始剤システムで使用されるほとんどの樹脂は、光重合後にガラス状で硬く脆いポリマー材料を形成するため、光重合 3D 印刷技術の応用が大きく制限されます。最終製品の特性を改善する方法の 1 つは、樹脂マトリックスに充填剤などの添加剤を加えて複合材料を調製することです。

しかし、一般的に使用される光重合システムでは、光源は通常、波長が短く浸透が不十分な紫外線または紫色光です。フィラーを追加するプロセスでは、光源の波長によってフィラーの選択が制限されることがよくあります。フィラーが青紫色光または紫外線を吸収する場合、そのフィラーは光重合システムでは使用できません。

△カーボンナノチューブは光を吸収する力が強い。カーボンナノチューブ自体は、優れた電気伝導性、優れた熱特性、優れた機械的特性を備えており、高性能ナノ複合材料の製造における添加剤としてよく使用されます。

例えば、カーボンナノチューブは光吸収能力が非常に強いため、感光性樹脂マトリックスに補強材として添加すると、光重合を開始するために使用する紫外線や紫色の可視光を大幅に吸収し、光重合速度が低下したり、重合が失敗したりします。

そのため、3D プリンティング分野におけるカーボンナノチューブの現在の用途は、主に熱溶解積層法 (FDM) やレーザー焼結法 (SLS、SHS) などの非光重合 3D プリンターに留まっています。短波長光源によって引き起こされるフィラー選択の制限を克服するために、より長い波長の青色光、緑色光、さらには赤色光を光源として使用して樹脂の硬化を開始する可視光重合システムが 3D プリントの分野に導入されました。しかし、一般的な可視光重合システムでは、開始速度が従来の UV 硬化システムよりも低いため、生産効率が低下します。

△3Dプリントカーボンナノチューブ樹脂階段

カーボンナノチューブ入門

カーボンナノチューブの導電性に関しては、その電流容量は銅線の1,000倍です。これまで、カーボンナノチューブは機械式メモリや超高感度センサーなど、多くの電子機器に応用されてきました。そして、カーボンナノチューブの熱伝導率と熱安定性はダイヤモンドのほぼ2倍です。同時に、ヤング率は1000GPa2を超えており、これは高強度鋼（約200GPa）の5倍です。さらに、その引張強度は約 45 GPa1 で、高強度鋼 (約 2 GPa) の約 14 倍である一方、カーボンナノチューブの密度はわずか 1.3 ～ 1.4 g/cm3 です。

アンタークティック・ベアは、このオーストラリアのチームが研究した物質システムが重要な進歩を遂げたことを知りました。
① 硬化光源として緑色光を使用し、フィラーの開始光の吸収を低減するとともに、新しい可視光開始システムの採用により、可視光重合の硬化速度が大幅に向上します。
② 改質多層カーボンナノチューブを強化材として混合光硬化性3Dプリント樹脂に添加し、可視光硬化性樹脂/カーボンナノチューブナノ複合材料を得ることに成功しました。

可視光硬化性樹脂/カーボンナノチューブナノ複合材料の性能 ①光硬化速度が速い。ポリエチレングリコールジアクリレートモノマーの場合、3〜5秒の光照射で完全に硬化し、二重結合変換率は90％以上です。同時に、開始剤システムは、さまざまなアクリレートまたはメチルアクリレートモノマーにも適用できます。ビスフェノール A グリシジルメタクリレート / テトラアセチレングリコールジメタクリレート混合 3D プリント樹脂に適用すると、60 ミクロンの厚さの樹脂層で重合速度は 1 層あたり 10 ～ 15 秒に達します。
② 機械的性質が大幅に向上し、樹脂/カーボンナノチューブ複合材料の弾性率（G'）は、元の純樹脂材料の弾性率の2倍に向上し、熱安定性は50℃以上向上します。カーボンナノチューブを添加すると硬度もわずかに増加します。（もちろん、上記のパフォーマンスはあくまでも予備テストであり、まだ改善の余地は大いにあります。）

チームについて

マルティナ・シュテンツェル教授
彼は現在、ニューサウスウェールズ大学に勤務し、オーストラリア科学アカデミーの会員であり、先端高分子設計センターの共同ディレクターを務めています。マルティナ・シュテンツェルは、1999 年にドイツのシュトゥットガルト大学応用高分子化学研究所で博士号を取得しました。彼女はDAAD（ドイツ学術交流会）奨学金を受け、オーストラリアのシドニーにあるニューサウスウェールズ大学のユネスコ膜科学技術センターでポスドク研究員として働き始めました。 2002年、彼女はニューサウスウェールズ大学の化学工学の講師となり、先端高分子設計センター（CAMD）で働きました。彼女は2009年にARC Future Fellowshipを受賞し、2012年に教授に昇進しました。 2013年、彼女は先端高分子設計センター（CAMD）の共同ディレクターに任命されました。彼女はウエスタンシドニー大学で医学の准教授も務めています。 2014 年、彼女はニューサウスウェールズ大学化学学部に加わり、ポリマーナノマテリアル、バイオマテリアル、可視光 3D プリントに関する研究プロジェクトを実施しました。

プー・シャオ博士
現在オーストラリア国立大学に勤務。 Pu Xiao 氏は武漢大学で化学の博士号 (2004 年) と高分子化学および物理学の博士号 (2009 年) を取得しました。その後、2009年にスイス北西部応用科学芸術大学の科学助手として学術キャリアをスタートしました。 2012年にフランス国立科学研究センター（CNRS）ミュルーズ校の物質科学研究所に移り、ポスドク研究員として勤務した。 2013年にオーストラリア研究会議（ARC）のディスカバリー若手研究者賞（DECRA）を受賞し、2014年にはニューサウスウェールズ大学（シドニー）でDECRA研究者および講師として勤務しました。 2017年にARC Future Fellowshipを受賞し、その後オーストラリア国立大学でARC Future Fellowを務めました。

王冠南
現在、ニューサウスウェールズ大学の博士課程2年生です。王冠南は、2015 年に青島科技大学で高分子科学と工学の学士号を取得し、2016 年にアクロン大学で高分子科学の修士号を取得しました。 2016年よりニューサウスウェールズ大学で博士号取得を目指して研究を続けている。
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カーボンナノチューブ感光性樹脂3Dプリント材料、UNSWが協力を模索

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