青島理工大学のShi Xinyan氏のチームは、3Dプリントによる生分解性ナノ複合材料の研究で進歩を遂げた。

出典：青島理工大学

生分解性ナノ複合材料は、使用から廃棄まで持続可能な開発の概念に適合する環境に優しい材料です。ナノ粒子を使用してポリマーを充填および改質することは、高性能で多機能なナノ複合材料の開発にとって重要な方向性です。しかし、ナノ粒子改質複合材料の製造方法のほとんどは、強化または強靭化の単一方向のみを改善するものであり、成形には金型に頼る必要があり、設計の自由度は低いです。熱溶解積層法（FDM）は、熱可塑性ポリマーの一般的な 3D 印刷方法として、さまざまな分野で広く使用されています。熱可塑性ポリマーを加熱・溶融し、特定の手順に従ってプラットフォーム上に層ごとに積み重ねることにより、操作が簡単で、印刷製品の性能が高く、構造制御が容易になるという利点があります。

最近、青島理工大学高分子学院の石欣燕教授のチームは、「強度-靭性」遷移を制御できる高性能ナノ複合材料の3Dプリントで新たな進歩を遂げました。チームの関連研究は、「強度-靭性」遷移を制御できる3Dプリントナノ複合材料：SiO2の改質と立体複合結晶の構築」というタイトルで、「複合材料科学技術」（ゾーン1のトップジャーナル、IF=8.5）誌に掲載されました。青島理工大学は論文の唯一の対応ユニットであり、博士課程の呂楊氏が第一著者、石欣燕教授が対応著者です。

図1. 生分解性ナノ複合材料のSEM画像（a. SiO2-g-PDLA-0、b. SiO2-g-PDLA-1、c. SiO2-g-PDLA-3、d. SiO2-g-PDLA-5）
図2. 生分解性ナノ複合材料の周波数走査曲線（a. 180℃、b. 210℃）
図3. 3Dプリントされた生分解性ナノ複合材料の応力-ひずみ曲線（b. ノズル温度180°C、c. ノズル温度210°C）
研究チームはまず、塊状重合法を用いて低分子量右旋性ポリ乳酸（SiO2-g-PDLA）をSiO2表面にコーティングし、生分解性ブレンド（左旋性ポリ乳酸/ポリブチレンアジペートテレフタレート（PLLA/PBAT））中にSiO2をナノ分散させ、同時にマトリックス中に均一に分散した立体複合結晶を構築した（立体複合結晶はSiO2表面にコーティングされたPDLAとマトリックス中のPLLAから構成される）。 3D プリントノズルの温度を「スイッチ」として使用して、ナノ複合材料内の立体複合結晶の存在と消失を制御し、3D プリントされたナノ複合材料の「強靭性」変換を実現します。 SEM画像（図1）から、SiO2-g-PDLAが複合材料中にナノ分散しており、5wt%を添加しても凝集が発生しないことがわかります。レオロジー試験では、180℃でSiO2-g-PDLA含有量の増加に伴い、複合材料の貯蔵弾性率と複素粘度が徐々に増加することが示されています（図2を参照）。このとき、複合材料中に均一に分散された立体複合結晶とSiO2-g-PDLAフィラーが一緒になって強化材として機能します。 210℃では、SiO2-g-PDLA含有量の増加に伴い、複合材料の貯蔵弾性率と複素粘度は徐々に低下しました。これは、SiO2表面に充填された低分子量PDLAが流動プロセス中に可塑化の役割を果たすためです。 3D プリントされたサンプルの引張特性テスト (図 3 を参照) から、ノズルの温度を制御することで 3D プリント製品の「強靭性」変換を実現できることがわかります。

図 4. 生分解性ナノ複合材料の「強靭性」変換を制御する 3D 印刷のメカニズム図。メカニズム図 (図 4 を参照) から、3D 印刷ノズルの温度が生分解性ナノ複合材料の「強靭性」変換のスイッチとして機能することがわかります。ノズル温度が180℃のとき、複合材料中に均一に分散された立体複合結晶とSiO2フィラーが補強材として作用し、複合材料の引張強度が大幅に向上します。ノズル温度が210℃のとき、立体複合結晶が溶融し、SiO2表面にコーティングされたPDLAが低分子量可塑剤として作用し、複合材料の靭性が向上します。

この研究は、山東省自然科学基金、ドイツのカイザースラウテルン工科大学のAlois K. Schlarb教授およびLeyu Lin教授の支援を受けて行われました。

論文リンク

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.109167

青島理工大学のShi Xinyan氏のチームは、3Dプリントによる生分解性ナノ複合材料の研究で進歩を遂げた。

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