notizie sull'azienda La coestrusione multistrato migliora la conduttività dei compositi TPUSWCNT

La crescente domanda di compositi polimerici leggeri e altamente conduttivi in settori emergenti come la pelle elettronica e i sensori flessibili ha spinto i ricercatori a esplorare soluzioni innovative. I nanotubi di carbonio (CNT), con la loro eccezionale conduttività, l'elevato rapporto di aspetto e le proprietà di leggerezza, sono emersi come riempitivi ideali per i compositi a base di polimeri. Tuttavia, la sfida di ottenere una dispersione uniforme dei CNT nelle matrici polimeriche, mantenendo al contempo basse soglie di percolazione, rimane un obiettivo di ricerca critico.

I CNT possiedono notevoli proprietà elettriche, con una conduttività intrinseca che raggiunge circa 10³ S/m. L'incorporazione di CNT nelle matrici polimeriche per creare materiali conduttivi è diventata una tecnica ampiamente utilizzata, che mostra un enorme potenziale in applicazioni che vanno dai sensori e dispositivi indossabili ai polimeri a memoria di forma, ai materiali autoriparanti e ai dispositivi di accumulo di energia.

La soglia di percolazione elettrica (ϕc) rappresenta la concentrazione critica di CNT in cui la conduttività del composito aumenta rapidamente a causa della formazione di una rete conduttiva. Studi teorici suggeriscono che l'elevato rapporto di aspetto dei CNT potrebbe consentire di raggiungere ϕc a carichi estremamente bassi (fino allo 0,1% in peso). Tuttavia, le sfide pratiche, tra cui l'elevata viscosità dei polimeri termoplastici, le forti forze di van der Waals tra i CNT e la scarsa adesione interfacciale tra CNT e polimeri, hanno impedito di raggiungere un ϕc ideale a carichi minimi.

Nei compositi a matrice termoplastica, ϕc si attesta tipicamente tra lo 0,2 e il 15% in peso di contenuto di CNT. Le strategie comuni per ridurre ϕc includono il miglioramento della solubilità/reattività dei CNT attraverso la modificazione e la purificazione della superficie, nonché l'utilizzo di compatibilizzanti per migliorare la dispersione. Anche la selezione del metodo di lavorazione si rivela cruciale per ottenere una distribuzione ottimale del riempitivo.

Varie tecniche di lavorazione a fusione hanno prodotto con successo compositi polimero/CNT ben dispersi, tra cui estrusori a doppia vite co-rotanti e miscelatori intensivi. Approcci meno convenzionali come l'assemblaggio di strutture a strati offrono vantaggi attraverso il posizionamento selettivo del riempitivo e una migliore dispersione.

La coestrusione multistrato a assemblaggio forzato fornisce un percorso di lavorazione a fusione continuo e flessibile che crea strutture a strati attraverso ripetuti allungamenti, tagli e impilamenti di flussi di fusione basati sulla trasformazione di Baker. Tipicamente, due masse polimeriche separate si uniscono in un blocco di alimentazione di coestrusione convenzionale per formare una struttura a doppio strato iniziale, quindi scorrono sequenzialmente attraverso elementi moltiplicatori di strati (LME) che dividono e ricombinano la fusione per aumentare gradualmente il numero di strati.

Questo confinamento dello strato polimerico ha dimostrato proprietà meccaniche, di barriera ai gas, ottiche, dielettriche e di memoria di forma migliorate. Lo spessore dello strato dipende principalmente dall'uscita di ciascun componente e dal numero di strati formati. I rapporti di ricerca indicano un numero massimo di strati di 16.384 attraverso la coestrusione multistrato, con spessori degli strati che vanno da micron a nanometri.

Lo studio ha progettato e fabbricato un dispositivo prototipo applicando la trasformazione di Baker utilizzando piccoli LME con canali di miscelazione DentIncx. Questo approccio offre requisiti di produzione più semplici, pur mantenendo l'efficacia per i processi di estrusione a fusione.

La ricerca ha selezionato il poliuretano termoplastico (TPU) di grado industriale per la sua flessibilità, resistenza all'usura e stabilità chimica. I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) con elevata purezza e distribuzione uniforme del diametro hanno garantito proprietà elettriche ottimali. Il glicole polipropilenico (PPG) è servito da pre-dispersore SWCNT, offrendo una buona compatibilità e bassa viscosità per facilitare la dispersione dei CNT.

I ricercatori hanno prima pre-disperso gli SWCNT in PPG tramite sonicazione per creare sospensioni omogenee. Hanno quindi miscelato il TPU con sospensioni SWCNT/PPG in rapporti specifici utilizzando l'estrusione a doppia vite a 180-200°C con velocità delle viti di 50-100 rpm. I miscelatori statici installati all'uscita dell'estrusore hanno fornito ulteriore miscelazione e taglio per migliorare la dispersione dei CNT.

Il processo ha alimentato compositi TPU/SWCNT fusi e TPU puro separatamente in un'apparecchiatura di coestrusione multistrato contenente un blocco di alimentazione di coestrusione e più LME. La struttura a doppio strato iniziale formata nel blocco di alimentazione è stata sottoposta a ripetuti strati, allungamenti e ricombinazioni attraverso gli LME, creando infine strutture con centinaia o migliaia di strati. La regolazione delle portate di fusione e delle quantità di LME ha consentito un controllo preciso sullo spessore dello strato.

La microscopia elettronica a scansione (SEM) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) hanno rivelato una dispersione significativamente migliorata degli SWCNT nelle matrici TPU dopo la miscelazione statica e la coestrusione multistrato, con una riduzione marcata dell'agglomerazione. Le osservazioni TEM hanno ulteriormente confermato la distribuzione e l'orientamento uniformi degli SWCNT all'interno degli strati TPU.

I test di trazione hanno dimostrato che i compositi TPU/SWCNT hanno mostrato una maggiore resistenza alla trazione e modulo elastico rispetto al TPU puro, sebbene con un allungamento a rottura leggermente ridotto. La coestrusione multistrato ha prodotto compositi con proprietà meccaniche anisotrope, mostrando una maggiore resistenza alla trazione lungo la direzione di estrusione rispetto agli orientamenti perpendicolari.

Le misurazioni con sonda a quattro punti hanno rivelato una soglia di conduttività allo 0,3% in peso di contenuto di SWCNT, indicando un'efficace formazione di rete conduttiva. La conduttività ha continuato ad aumentare con carichi di SWCNT più elevati. La coestrusione multistrato ha prodotto compositi con una conduttività significativamente più elevata rispetto alle controparti miscelate a fusione convenzionali, attribuita a una dispersione e un allineamento superiori degli SWCNT.

Lo studio dimostra che la coestrusione multistrato combinata con la pre-dispersione degli SWCNT e la miscelazione statica migliora efficacemente la conduttività del composito TPU/SWCNT. La pre-dispersione riduce l'energia superficiale degli SWCNT e le tendenze all'agglomerazione, mentre la miscelazione statica fornisce un'omogeneizzazione e un taglio completi della fusione. La coestrusione multistrato ottimizza la distribuzione degli SWCNT attraverso strutture a strati controllate, ottenendo una conduttività eccezionale a basso contenuto di CNT.

L'anisotropia meccanica osservata è correlata all'orientamento degli SWCNT all'interno degli strati TPU. Lungo la direzione di estrusione, gli SWCNT prevalentemente allineati aumentano la resistenza alla trazione, mentre orientamenti perpendicolari più casuali mostrano una resistenza inferiore.

Questa ricerca ha impiegato con successo la coestrusione multistrato per produrre compositi TPU/SWCNT ad alte prestazioni. Attraverso la pre-dispersione degli SWCNT, la miscelazione statica e la coestrusione multistrato, lo studio ha ottenuto un'eccellente dispersione e allineamento degli SWCNT, ottenendo una conduttività superiore a basso contenuto di CNT, mantenendo al contempo la flessibilità.

Le direzioni future della ricerca includono:

• Ottimizzazione dei parametri di coestrusione multistrato per prestazioni composite migliorate
• Indagine sugli effetti di diversi tipi di CNT sulle proprietà dei compositi
• Estensione della tecnica ad altri compositi a matrice polimerica
• Esplorazione di applicazioni in materiali intelligenti e compositi biomedici

La coestrusione multistrato presenta un potenziale significativo per lo sviluppo di compositi polimerici avanzati, promettendo di soddisfare le crescenti esigenze di materiali multifunzionali ad alte prestazioni in vari settori.