イタリアの研究者らが材料性能を向上させる新しい3Dプリントポリマー複合材料を開発

2022年6月、アンタークティックベアは、イタリアのトレント大学の研究者が、溶媒を使用しないプロセスを使用して製造され、グラフェンなどの材料が充填された新しいタイプの3Dプリントポリマー複合材料を開発したことを知りました。彼らの研究は、「グラフェンまたはカーボンナノチューブを含むマルチスケール炭素繊維強化ポリマー複合材料の3次元印刷」というタイトルでNanomaterials誌に掲載されました。

△グラフェンやカーボンナノチューブを含むマルチスケール炭素繊維強化ポリマー複合材料の3Dプリントに関する研究

3D プリントポリマー複合材料<br /> 3D プリントを使用して、さまざまなマルチスケール強化材料を含む熱可塑性複合材料を製造することは、材料科学の分野で常に研究の焦点となってきました。マルチスケールのフィラー粒子を埋め込むと、3D プリントされたポリマーの機械的特性、電気伝導性、熱安定性などの特性を向上させることができます。

この研究分野は積層造形への応用が見出されており、印刷可能な材料を拡張することで、熱溶解積層法 (FFF) 製品のパフォーマンスを向上させることができます。過去 10 年間、さまざまな産業向けの新しいポリマー材料の合成に関する集中的な研究が行われてきました。本研究では、研究者らはポリマー特性を向上させるためのいくつかのナノサイズおよびマイクロサイズの粒子の可能性を評価しました。たとえば、炭素ベースの材料は、剛性、耐腐食性を向上させ、重量を軽減するなどの利点があります。

△純粋ABS、ABS/MCF、ABS/MCF/CNT、ABS/MCF/GNP複合材料の押し出しフィラメント。

過去数年間、研究者らは、粉砕炭素繊維などのマイクロフィラーや、グラフェンナノプレートレットやカーボンナノチューブなどのナノフィラーのポリマー複合改質剤としての特性も研究してきました。研究により、導電性ナノ粒子を含むナノ複合材料は、マイクロバッテリー、電子センサー、マイクロ回路などの3Dプリントデバイスに大きな可能性を秘めていることがわかっています。

研究によると、熱溶解積層法で製造されたポリマー複合材は、靭性が向上し、ヤング率、引張強度、弾性率が増加し、その他多くの優れた特性があることがわかっています。たとえば、多層カーボンナノチューブは、抵抗の変化と濃度を直接相関させ、負荷が減少すると応答が増加します。さまざまなポリマー複合材料中のカーボンナノチューブの特定濃度により、電気伝導性を高めることができます。分散グラフェンナノシートを含む ABS 複合材料は、高い熱安定性と弾性率を持ちながら、破壊ひずみと応力が低減されます。さらに、グラフェンナノ粒子改質ポリプロピレンは高い界面せん断強度を示します。

研究<br /> 研究者らは、新しい無溶剤プロセスを使用して、マルチスケール複合フィラメントを製造しました。さまざまな比率で ABS ポリマーマトリックスに添加された炭素ベースの強化材の特性を研究しました。（炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェンナノシートの粉砕）。

△ダンベル型および平行六面体型試験片（80 mm × 10 mm × 3.8 mm）

研究結果● 結果は、カーボンナノチューブとグラフェンナノシートの充填剤が複合材料の弾性率と強度を高めるが、粉砕された炭素繊維を追加すると破壊ひずみ値が減少することを示しています。ナノフィラーは複合材料の電気伝導性も向上させ、カーボンナノチューブは最も強力な伝導性向上を示します。

●最終的なサンプルの密度や性能は製造工程によって大きく左右されます。 3D プリントプロセスによって作成された空隙により、サンプルの延性は最大 65% 失われました。この延性は複合材料ごとに異なります。カーボンナノチューブを使用した複合材料はすべて抵抗率が低いです。

●著者らは、最適な組成を評価するための比較パラメータと選択パラメータを提案した。組成物は加工性と性能に基づいて評価され、センサーや熱電デバイスなどの用途への適合性を明らかにしました。

アップロード

△MCF と CNT 含有量が異なる CM および 3D プリントサンプルの抵抗率。

要約する
1. この研究の新規性は、無溶媒プロセスによるマイクロファイバー (MCF) とナノフィラー (CNT または GNP) の異なる比率に基づくマルチスケール炭素質 ABS 複合材料の適切な配合、処理、および特性評価にあります。

2. 圧縮成形された ABS 複合材料サンプルの機械的特性 (弾性率と強度) はマイクロフィラー (CNT および GNP) の添加によって改善され、破壊ひずみ値はマイクロフィラー (MCF) の添加によって減少しました。ナノフィラーの導電性は純粋な ABS やマイクロ複合材料に比べて向上し、CNT フィラーが最高の性能を達成しました。

3. マルチスケール ABS/MCF/GNP 複合材料は、圧縮成形サンプルの機械的特性に好ましい効果をもたらします。対照的に、ABS/CNT の導電性は大幅に向上しました。製造プロセスはサンプルの密度に大きく影響し、それによってサンプルの機械的、電気的、熱的特性にも影響を及ぼします。特に、CM 試験片と比較すると、3D プリントされたサンプルは、一部の組成では導電性が維持されるものの、空隙の存在により延性が大幅に低下します (33～65% の範囲)。

全体として、この論文は、センサーや熱電デバイスなど、複数の産業に利益をもたらす可能性のある、マルチスケールポリマー複合材料を製造するための潜在的に有利なプロセスを示しています。

全文リンク: https://doi.org/10.3390/nano12122064

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