Materiali compositi PLA / grafene / MWCNT con proprietà elettriche e termiche migliorate adatte per applicazioni di stampa 3D FDM

Miglioramento dei materiali di stampa 3D con materiali compositi per nanotubi di carbonio con PLA / grafene / a parete multipla

Ricercatori di tutto il mondo si sono uniti per approfondire lo studio della scienza dei materiali nella stampa 3D, con le loro scoperte recentemente pubblicate in ” Materiali compositi PLA / grafene / MWCNT con proprietà elettriche e termiche migliorate adatte per applicazioni di stampa 3D FDM “. Mentre oggi può essere disponibile una varietà di diversi materiali polimerici per la stampa 3D, l’acido polilattico (PLA) è un mezzo preferito a causa delle sue qualità naturali (a base vegetale), della biodegradabilità e delle sue qualità bioassorbibili.

Molti utenti considerano il PLA una scelta “più ecologica” e oggi è altamente auspicabile per la produzione in una vasta gamma di applicazioni, tra cui:

Confezione
Pharmaceuticals
Tessile
Ingegneria
Settore automobilistico
biomedica
Ingegneria dei tessuti
“La stampa 3D è stata promettente”, affermano gli autori. “Tuttavia, le sue prestazioni meccaniche e le proprietà elettriche e termiche devono essere migliorate al fine di espandere i campi di applicazione.”

L’uso di nanofiller per rafforzare le proprietà del PLA è comune, conferendogli maggiore resistenza meccanica, consentendo una migliore conduttività, stabilità e bioattività. Vengono utilizzati sia i nanotubi di carbonio (CNT) che il grafene, con risultati promettenti in quanto mostrano la capacità di mettere a punto proprietà critiche per prestazioni più elevate; infatti, i CNT offrono un enorme numero di benefici, ma soprattutto nell’aggiungere stabilità, meccanicamente, elettricamente, termicamente o chimicamente, ovviamente rendendoli candidati a materiali multifunzionali. Desideriamo sottolineare che i nanotubi di carbonio rappresentano un grave rischio per la salute e che l’inalazione di fumi dai nanotubi di carbonio può provocare il cancro.

I compositi polimerici contenenti grafene aggiungono anche stabilità dimensionale, impediscono il verificarsi di microfratture e migliorano la barriera sopra il polimero della matrice.

“Recentemente, grafene e grafene funzionalizzato sono stati utilizzati in compositi contenenti diversi filler e la combinazione di filler ha mostrato un effetto sinergico in termini di proprietà meccaniche, conducibilità termica ed elettrica e super capacità”, affermano i ricercatori. “È stato scoperto che combinando due nanoriempitivi, come i nanotubi di carbonio e il grafene, porta alla formazione di una rete co-supportante di entrambi i filler”.

Nella stampa 3D, questi tipi di materiali offrono maggiore resistenza e conduttività e una migliore stampabilità, e vengono generalmente aggiunti alla matrice polimerica mediante miscelazione in soluzione, fusione in fusione o polimerizzazione in situ. Di seguito sono riportati i materiali utilizzati:

Industrial Graphene NanoPlates, GNP (fornito da TimeNano, Chengdu, Cina), con purezza, 90% in peso; numero di strati <30; spessore <30 nm; diametro / dimensione mediana 5-7 μm; rapporto d’aspetto: ~ 230/165, superficie specifica, m 2 / g: 1,42 m 2 / g, così come i nanotubi di carbonio Industrialized OH-Functionalized (nanotubi di carbonio a parete multipla) (MWCNTs) (TimeNano, prodotto con il metodo CVD ) con purezza, 95% in peso di OH 2,48% di contenuto; dimensione (esterno D = 10-30 nm, interno D = 5-10 nm, lunghezza = 10-30 μm); proporzioni: ~ 1000; superficie specifica 110 m 2 / g; densità 2,1 g / cm 3 ; conducibilità elettrica S = 100 S / cm.

Gli autori hanno riportato che quando si utilizza la quantità massima di contenuto di riempitivo (6% in peso), la conduttività è aumentata di circa 7-8 decenni per i sistemi a riempimento monocomponente, rispetto al PLA puro; tuttavia, l’effetto era più evidente nei compositi PLA / MWCNT. Anche i compositi bi-filler con PLA / MWCNT / GNP mostrano conduttività elettrica a causa di un effetto sinergico, e tali valori sono superiori a quelli dei sistemi mono-filler.

“Il trasporto termico nei compositi PLA / GNP ottenuti è una fiorente area di ricerca grazie alle straordinarie proprietà di conduttività termica del grafene e al suo potenziale di utilizzo in applicazioni di gestione termica”, hanno concluso gli autori. “I compositi ottenuti possono essere considerati un eccellente conduttore elettrico e termico per una varietà di applicazioni.”

Il PLA è uno dei materiali più popolari e versatili utilizzati nella stampa 3D, spesso preferito rispetto ad altri polimeri come l’ABS perché è a base vegetale e si presume sia biodegradabile (la maggior parte delle varianti di PLA non sono compostabili).

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