Nhu cầu ngày càng tăng đối với vật liệu composite polymer nhẹ, có tính dẫn điện cao trong các lĩnh vực mới nổi như da điện tử và cảm biến linh hoạt đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu khám phá các giải pháp sáng tạo. Ống nano carbon (CNT), với độ dẫn điện đặc biệt, tỷ lệ khía cạnh cao và các đặc tính nhẹ, đã nổi lên như các chất độn lý tưởng cho vật liệu composite gốc polymer. Tuy nhiên, thách thức trong việc đạt được sự phân tán CNT đồng đều trong ma trận polymer trong khi vẫn duy trì ngưỡng thẩm thấu thấp vẫn là trọng tâm nghiên cứu quan trọng.
CNT sở hữu các đặc tính điện đáng chú ý, với độ dẫn điện nội tại đạt khoảng 10³ S/m. Việc kết hợp CNT vào ma trận polymer để tạo ra vật liệu dẫn điện đã trở thành một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi, cho thấy tiềm năng to lớn trong các ứng dụng từ cảm biến và thiết bị đeo được đến polymer ghi nhớ hình dạng, vật liệu tự phục hồi và thiết bị lưu trữ năng lượng.
Ngưỡng thẩm thấu điện (ϕc) đại diện cho nồng độ CNT tới hạn mà tại đó độ dẫn điện của vật liệu composite tăng nhanh do sự hình thành mạng dẫn điện. Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy rằng tỷ lệ khía cạnh cao của CNT có thể cho phép đạt được ϕc ở mức tải cực thấp (thấp nhất là 0,1% theo trọng lượng). Tuy nhiên, những thách thức thực tế bao gồm độ nhớt cao của polymer nhiệt dẻo, lực van der Waals mạnh giữa CNT và độ bám dính bề mặt yếu giữa CNT và polymer đã cản trở việc đạt được ϕc lý tưởng ở mức tải tối thiểu.
Trong vật liệu composite ma trận nhiệt dẻo, ϕc thường nằm trong khoảng từ 0,2 đến 15% theo trọng lượng hàm lượng CNT. Các chiến lược phổ biến để giảm ϕc bao gồm tăng cường độ hòa tan/phản ứng của CNT thông qua sửa đổi và tinh chế bề mặt, cũng như sử dụng chất tương thích để cải thiện sự phân tán. Việc lựa chọn phương pháp xử lý cũng chứng minh là rất quan trọng để đạt được sự phân bố chất độn tối ưu.
Nhiều kỹ thuật xử lý nóng chảy khác nhau đã sản xuất thành công các vật liệu composite polymer/CNT được phân tán tốt, bao gồm máy đùn trục vít đôi quay đồng hướng và máy trộn chuyên sâu. Các phương pháp ít thông thường hơn như lắp ráp cấu trúc nhiều lớp mang lại những lợi thế thông qua việc định vị chất độn có chọn lọc và tăng cường sự phân tán.
Lắp ráp cưỡng bức đồng đùn nhiều lớp cung cấp một tuyến xử lý nóng chảy liên tục, linh hoạt, tạo ra các cấu trúc nhiều lớp thông qua việc kéo dài, cắt và xếp chồng lặp đi lặp lại các dòng chảy nóng chảy dựa trên biến đổi của thợ làm bánh. Thông thường, hai chất nóng chảy polymer riêng biệt kết hợp trong một khối nạp đồng đùn thông thường để tạo thành cấu trúc hai lớp ban đầu, sau đó tuần tự chảy qua các phần tử nhân lớp (LME) tách và kết hợp lại chất nóng chảy để tăng dần số lớp.
Sự hạn chế lớp polymer này đã chứng minh các đặc tính cơ học, rào cản khí, quang học, điện môi và ghi nhớ hình dạng được tăng cường. Độ dày lớp chủ yếu phụ thuộc vào sản lượng của từng thành phần và số lượng lớp được hình thành. Các báo cáo nghiên cứu cho thấy số lượng lớp tối đa là 16.384 thông qua đồng đùn nhiều lớp, với độ dày lớp từ micron đến nanomet.
Nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo một thiết bị nguyên mẫu áp dụng biến đổi của thợ làm bánh bằng cách sử dụng LME nhỏ với các kênh trộn DentIncx. Cách tiếp cận này cung cấp các yêu cầu sản xuất đơn giản hơn trong khi vẫn duy trì hiệu quả cho các quy trình đùn nóng chảy.
Nghiên cứu đã chọn polyurethane nhiệt dẻo (TPU) cấp công nghiệp vì tính linh hoạt, khả năng chống mài mòn và độ ổn định hóa học. Ống nano carbon một thành (SWCNT) với độ tinh khiết cao và phân bố đường kính đồng đều đảm bảo các đặc tính điện tối ưu. Polypropylene glycol (PPG) đóng vai trò là chất phân tán trước SWCNT, mang lại khả năng tương thích tốt và độ nhớt thấp để tạo điều kiện cho sự phân tán CNT.
Các nhà nghiên cứu trước tiên phân tán trước SWCNT trong PPG thông qua siêu âm để tạo ra các hỗn dịch đồng nhất. Sau đó, họ trộn TPU với hỗn dịch SWCNT/PPG theo tỷ lệ cụ thể bằng cách sử dụng đùn trục vít đôi ở 180-200°C với tốc độ trục vít là 50-100 vòng/phút. Máy trộn tĩnh được lắp đặt ở lối ra của máy đùn cung cấp thêm sự trộn và cắt để tăng cường sự phân tán CNT.
Quá trình này đưa vật liệu composite TPU/SWCNT nóng chảy và TPU nguyên chất riêng biệt vào thiết bị đồng đùn nhiều lớp có chứa khối nạp đồng đùn và nhiều LME. Cấu trúc hai lớp ban đầu được hình thành trong khối nạp trải qua quá trình phân lớp, kéo dài và tái tổ hợp lặp đi lặp lại thông qua LME, cuối cùng tạo ra các cấu trúc có hàng trăm hoặc hàng nghìn lớp. Điều chỉnh tốc độ dòng chảy nóng chảy và số lượng LME cho phép kiểm soát chính xác độ dày lớp.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy sự phân tán SWCNT được cải thiện đáng kể trong ma trận TPU sau khi trộn tĩnh và đồng đùn nhiều lớp, với sự kết tụ giảm đáng kể. Quan sát TEM tiếp tục xác nhận sự phân bố và định hướng SWCNT đồng đều trong các lớp TPU.
Thử nghiệm kéo cho thấy vật liệu composite TPU/SWCNT thể hiện độ bền kéo và mô đun đàn hồi cao hơn so với TPU nguyên chất, mặc dù độ giãn dài khi đứt giảm nhẹ. Đồng đùn nhiều lớp tạo ra vật liệu composite có các tính chất cơ học không đẳng hướng, cho thấy độ bền kéo cao hơn dọc theo hướng đùn so với các hướng vuông góc.
Các phép đo đầu dò bốn điểm cho thấy ngưỡng độ dẫn điện ở mức 0,3% theo trọng lượng hàm lượng SWCNT, cho thấy sự hình thành mạng dẫn điện hiệu quả. Độ dẫn điện tiếp tục tăng với tải SWCNT cao hơn. Đồng đùn nhiều lớp tạo ra vật liệu composite có độ dẫn điện cao hơn đáng kể so với các đối tác trộn nóng chảy thông thường, do sự phân tán và liên kết SWCNT vượt trội.
Nghiên cứu chứng minh rằng đồng đùn nhiều lớp kết hợp với phân tán trước SWCNT và trộn tĩnh làm tăng cường hiệu quả độ dẫn điện của vật liệu composite TPU/SWCNT. Phân tán trước làm giảm năng lượng bề mặt và xu hướng kết tụ của SWCNT, trong khi trộn tĩnh cung cấp sự đồng nhất hóa và cắt nóng chảy kỹ lưỡng. Đồng đùn nhiều lớp tối ưu hóa sự phân bố SWCNT thông qua các cấu trúc nhiều lớp được kiểm soát, đạt được độ dẫn điện đặc biệt ở hàm lượng CNT thấp.
Tính dị hướng cơ học được quan sát liên quan đến định hướng SWCNT trong các lớp TPU. Dọc theo hướng đùn, SWCNT chủ yếu liên kết làm tăng độ bền kéo, trong khi các liên kết vuông góc ngẫu nhiên hơn cho thấy độ bền thấp hơn.
Nghiên cứu này đã sử dụng thành công đồng đùn nhiều lớp để sản xuất vật liệu composite TPU/SWCNT hiệu suất cao. Thông qua phân tán trước SWCNT, trộn tĩnh và đồng đùn nhiều lớp, nghiên cứu đã đạt được sự phân tán và liên kết SWCNT tuyệt vời, mang lại độ dẫn điện vượt trội ở hàm lượng CNT thấp trong khi vẫn duy trì tính linh hoạt.
Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm:
Đồng đùn nhiều lớp thể hiện tiềm năng đáng kể để phát triển vật liệu composite polymer tiên tiến, hứa hẹn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với vật liệu đa chức năng, hiệu suất cao trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Người liên hệ: Ms. Chen
Tel: +86-13510209426
Vietnamese
