CO2 3Dプリントマイクロフォームフィラメントの使用

はじめに: 近年、航空宇宙、航行、生物医学、スポーツなどの研究分野では革新的な先端材料が活用されています。最近開発された多くの新素材の中でも、ポリマーフォームは優れた機械的特性と物理的特性を備えているため際立っています。

ポリマーフォーム材料とは、内部に無数の気泡を持つポリマー（プラスチック、ゴム、エラストマー、天然ポリマー材料）をベースにした微多孔材料を指します。ガスを充填材とする複合材料とも言えます。

2022年8月、アンタークティックベアは、イタリアのチームが3Dプリント用の二酸化炭素を使用してマイクロフォームフィラメントを製造したことを知りました。彼らの研究は、「3D フォームプリンティングによるマイクロフォームストランド」というタイトルで、Polymer 誌にオンライン掲載されました。

3D フォームプリントによるマイクロフォームフィラメント<br /> フォームライン印刷の 5 つのステップの概略図:

△(a) 含浸、(b) 脱着、(c) 溶融、(d) 発泡、(e) ワイヤ間の接着

これらの新しいマイクロ発泡材料は、構造と特性の関係を制御する階層的な多孔質内部構造を備えています。これらの材料は、非層構造に比べて機械的特性が向上し、表面がよりアクティブになります。自然界には、階層的な内部組織を持つ有機構造が数多く存在します。これらの構造により、最小限の材料で最適な効率とパフォーマンスが実現します。ハニカム、骨、竹が含まれます。これらの自然構造は、高い剛性対重量比、優れたエネルギー反射、低い熱伝導率などの特性を持っています。科学者は現在、これらに非常に興味を持っており、さまざまな研究を行っています。

3D プリントポリマーマイクロバブル<br /> 3D ポリマーマイクロフォームの製造が現在の研究の焦点です。 3D プリンティングはさまざまな技術的ソリューションに使用されており、従来の製造技術に比べていくつかの利点があります。研究者たちは、ポリマーから階層的なグリッドとフォーム構造を形成するための努力を行ってきました。マクロおよびマイクロスケールの細孔を持つフィラメント状の支柱を 3D プリントできます。本研究では、印刷解像度の制限により、押し出された支柱の密度と鎖間の多孔性に制限が生じました。

研究者たちは、個々のストランドを発泡させて、ストランド内およびストランド間の多孔度が高いフォームを生成することで、プロセスの改善を試みてきました。 2 段階のアプローチで、構造上に鎖間細孔を印刷し、その後材料をバッチ発泡または自由乾燥して鎖内細孔を作成します。

△(a) CO2（本研究）とアセトンを使用して達成された膨張率の比較。 CO2 (b) とアセトン (c) で発泡させたワイヤの断面の SEM 画像。

最近提案された方法の 1 つは、1 段階のプロセスで発泡剤の不連続またはインライン溶解を使用することです。しかし、現在の技術とプロセスの制限により、革新的で微調整された形態を持つ 3D ポリマーマイクロフォームを設計することは依然として問題が残っています。 3D フォームプリント自体は、付加製造における最近の技術革新ですが、まだ十分に理解されておらず、完全な商業化までにいくつかの技術的課題に直面しています。プリンターのノズルの発泡メカニズムはまだ十分に理解されておらず、プロセスの制御が困難です。

微細に制御された形態と細孔構造を持つポリマーマイクロフォームを設計することは、複数の最先端の研究およびエンジニアリング分野における商業的応用の鍵となります。これを達成することで、科学者は階層構造の豊かな可能性を最大限に活用し、材料科学者に幅広い設計空間を提供できるようになります。

研究<br /> 研究者らは二酸化炭素を使用して多孔質の階層的 3D ポリマーマイクロフォームを合成し、独特の気泡形態を持つ材料を生成しました。この研究では、材料の設計、製造、特性評価を詳細に調査しました。気泡の形態とプロセスパラメータ、つまり CO2 濃度と温度との関係が強調されています。

マイクロフォームは、生分解性で持続可能なポリマーと PLA を使用して製造されています。これらのポリマーは二酸化炭素に吹き込まれ、環境に優しく持続可能な合成プロセスが生まれます。 15 wt.% CO2 は、ミクロおよびマクロスケールの多孔性を持つ低密度フォーム (40 kg/m3) を生成します。生成されたフォームの結晶化度は、CO2濃度に応じて5％から45％の範囲で変化し、直線関係を示しました。

著者らは、発泡ストランドの弾性率は結晶度含有量に大きく影響されることを観察した。著者らは、機械的特性とフォーム密度の関係を説明するために修正されたEgli方程式を提案した。そのため、本研究では結晶度と特性の関係を示す革新的なモデルが提示されました。

△(a) 印刷済みおよび発泡/印刷済みのPLAフィラメントのDSC曲線、(b) 膨張率による結晶化度への影響。

研究者らは、断熱冷却がポリマーストランドの主な凝固メカニズムであることを発見した。この冷却は、ポリマーマイクロバブルの形成中に急速な断熱膨張が起こることによって起こります。著者らは、この効果を理解することで、プロセスの動作パラメータを調整し、最終的なフォーム密度を最適化するのに役立つと示唆しています。

概要<br /> ポリマーマイクロフォームは、バイオメディカル、航空宇宙、繊維などの産業に多くの利点をもたらす革新的な生体模倣材料です。これらは複雑で多孔質の階層的内部形態を持ち、従来の非階層的材料よりも優れた性能を発揮します。

これらの材料を製造するために、3D プリント方式を適用することに関心が高まっていますが、この分野はまだ初期段階にあり、十分に理解されておらず、プロセスを制御するのは困難です。ポリマーに関する新たな研究では、3D プリントされたポリマーマイクロフォームの分野に革命を起こす可能性のある、簡単で環境に優しい合成経路が実証されています。まだ多くの課題はありますが、この分野は研究者による継続的な研究に値する分野です。

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