أدى الطلب المتزايد على المواد المركبة البوليمرية خفيفة الوزن وعالية التوصيل في المجالات الناشئة مثل الجلد الإلكتروني وأجهزة الاستشعار المرنة إلى دفع الباحثين إلى استكشاف حلول مبتكرة. ظهرت أنابيب الكربون النانوية (CNTs)، بفضل توصيلها الاستثنائي ونسبة أبعادها العالية وخصائصها خفيفة الوزن، كحشوات مثالية للمواد المركبة القائمة على البوليمرات. ومع ذلك، لا تزال تحديات تحقيق التشتت الموحد لأنابيب الكربون النانوية في مصفوفات البوليمر مع الحفاظ على عتبات التوصيل المنخفضة تمثل محورًا بحثيًا حاسمًا.
تمتلك أنابيب الكربون النانوية خصائص كهربائية رائعة، حيث تصل الموصلية الذاتية إلى حوالي 10³ S/m. أصبح دمج أنابيب الكربون النانوية في مصفوفات البوليمر لإنشاء مواد موصلة تقنية مستخدمة على نطاق واسع، مما يظهر إمكانات هائلة في التطبيقات التي تتراوح من أجهزة الاستشعار والأجهزة القابلة للارتداء إلى البوليمرات ذات الذاكرة الشكلية والمواد ذاتية الإصلاح وأجهزة تخزين الطاقة.
تمثل عتبة التوصيل الكهربائي (ϕc) تركيز أنابيب الكربون النانوية الحرج حيث تزداد موصلية المركب بسرعة بسبب تكوين شبكة موصلة. تشير الدراسات النظرية إلى أن نسبة الأبعاد العالية لأنابيب الكربون النانوية يمكن أن تمكن من تحقيق ϕc عند تحميلات منخفضة للغاية (حوالي 0.1% بالوزن). ومع ذلك، فقد أعاقت التحديات العملية بما في ذلك اللزوجة العالية للبوليمرات الحرارية، وقوى فان دير فالز القوية بين أنابيب الكربون النانوية، والالتصاق البيني الضعيف بين أنابيب الكربون النانوية والبوليمرات تحقيق ϕc المثالي عند أقل التحميلات.
في المواد المركبة ذات المصفوفة الحرارية، تقع ϕc عادةً بين 0.2 إلى 15% بالوزن من محتوى أنابيب الكربون النانوية. تتضمن الاستراتيجيات الشائعة لتقليل ϕc تعزيز قابلية ذوبان/تفاعل أنابيب الكربون النانوية من خلال تعديل السطح والتنقية، بالإضافة إلى استخدام مواد التوافق لتحسين التشتت. كما يثبت اختيار طريقة المعالجة أنه بالغ الأهمية لتحقيق التوزيع الأمثل للحشو.
أنتجت تقنيات المعالجة بالذوبان المختلفة بنجاح مواد مركبة جيدة التشتت من البوليمر/أنابيب الكربون النانوية، بما في ذلك الطاردات اللولبية المزدوجة الدوارة والخلاطات المكثفة. توفر الأساليب الأقل تقليدية مثل تجميع الهياكل الطبقية مزايا من خلال تحديد موضع الحشو وتعزيز التشتت.
يوفر التجميع القسري للبثق المشترك متعدد الطبقات مسار معالجة بالذوبان مستمر ومرن يخلق هياكل طبقية من خلال التمدد المتكرر والقطع والتكديس لتدفقات الذوبان بناءً على تحويل بيكر. عادةً، يجتمع ذوبانان منفصلان من البوليمر في كتلة تغذية البثق المشترك التقليدية لتشكيل هيكل ثنائي الطبقات أولي، ثم يتدفقان بالتتابع عبر عناصر مضاعفة الطبقات (LMEs) التي تقسم الذوبان وتعيد تركيبه لزيادة عدد الطبقات تدريجيًا.
أظهر هذا الحصر الطبقي للبوليمر خصائص ميكانيكية محسنة، وحاجز غاز، وبصرية، وعازلة، وذاكرة شكلية. تعتمد سماكة الطبقة في المقام الأول على ناتج كل مكون وعدد الطبقات المتكونة. تشير التقارير البحثية إلى أقصى عدد للطبقات يبلغ 16384 من خلال البثق المشترك متعدد الطبقات، مع سماكات طبقات تتراوح من الميكرونات إلى النانومترات.
صممت الدراسة وصنعت جهازًا أوليًا يطبق تحويل بيكر باستخدام LMEs صغيرة مع قنوات خلط DentIncx. يوفر هذا النهج متطلبات تصنيع أبسط مع الحفاظ على الفعالية لعمليات البثق بالذوبان.
اختارت الدراسة البولي يوريثين الحراري (TPU) من الدرجة الصناعية لمرونته ومقاومته للتآكل وثباته الكيميائي. ضمنت الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) ذات النقاء العالي وتوزيع القطر الموحد خصائص كهربائية مثالية. عمل البولي بروبيلين جلايكول (PPG) كمشتت مسبق لـ SWCNT، مما يوفر توافقًا جيدًا ولزوجة منخفضة لتسهيل تشتت CNT.
قام الباحثون أولاً بتشتيت SWCNTs مسبقًا في PPG من خلال الموجات فوق الصوتية لإنشاء معلقات متجانسة. ثم قاموا بخلط TPU مع معلقات SWCNT/PPG بنسب محددة باستخدام البثق اللولبي المزدوج عند 180-200 درجة مئوية بسرعة لولبية تبلغ 50-100 دورة في الدقيقة. وفرت الخلاطات الثابتة المثبتة عند مخرج الطارد خلطًا وقصًا إضافيين لتعزيز تشتت CNT.
أدخلت العملية مركبات TPU/SWCNT المنصهرة و TPU النقي بشكل منفصل في معدات البثق المشترك متعدد الطبقات التي تحتوي على كتلة تغذية بثق مشترك و LMEs متعددة. خضع الهيكل ثنائي الطبقات الأولي المتكون في كتلة التغذية للتطبقات المتكررة والتمدد وإعادة التركيب من خلال LMEs، مما أدى في النهاية إلى إنشاء هياكل بها مئات أو آلاف الطبقات. مكن تعديل معدلات تدفق الذوبان وكميات LME من التحكم الدقيق في سمك الطبقة.
كشف الفحص المجهري الإلكتروني الماسح (SEM) والفحص المجهري الإلكتروني النافذ (TEM) عن تحسن كبير في تشتت SWCNT في مصفوفات TPU بعد الخلط الثابت والبثق المشترك متعدد الطبقات، مع انخفاض ملحوظ في التكتل. أكدت ملاحظات TEM كذلك التوزيع والاتجاه الموحد لـ SWCNT داخل طبقات TPU.
أظهر اختبار الشد أن المواد المركبة TPU/SWCNT أظهرت قوة شد أعلى ومعامل مرونة أعلى من TPU النقي، على الرغم من انخفاض طفيف في الاستطالة عند الكسر. أنتج البثق المشترك متعدد الطبقات مواد مركبة ذات خصائص ميكانيكية متباينة الخواص، مما يظهر قوة شد أعلى على طول اتجاه البثق مقارنة بالاتجاهات العمودية.
كشفت قياسات مسبار الأربع نقاط عن عتبة توصيل عند 0.3% بالوزن من محتوى SWCNT، مما يشير إلى تكوين شبكة موصلة فعالة. استمرت الموصلية في الزيادة مع ارتفاع تحميلات SWCNT. أنتج البثق المشترك متعدد الطبقات مواد مركبة ذات موصلية أعلى بكثير من نظيراتها المختلطة بالذوبان التقليدية، والتي تُعزى إلى تشتت SWCNT وتوافقها الفائقين.
توضح الدراسة أن البثق المشترك متعدد الطبقات جنبًا إلى جنب مع التشتت المسبق لـ SWCNT والخلط الثابت يعزز بشكل فعال موصلية المواد المركبة TPU/SWCNT. يقلل التشتت المسبق من طاقة سطح SWCNT وميول التكتل، بينما يوفر الخلط الثابت تجانسًا وقصًا شاملاً للذوبان. يعمل البثق المشترك متعدد الطبقات على تحسين توزيع SWCNT من خلال الهياكل الطبقية المتحكم فيها، مما يحقق موصلية استثنائية عند محتوى CNT منخفض.
ترتبط الخواص الميكانيكية المتباينة الخواص الملحوظة باتجاه SWCNT داخل طبقات TPU. على طول اتجاه البثق، تزيد SWCNTs الموجهة في الغالب من قوة الشد، بينما تظهر الاتجاهات العمودية الأكثر عشوائية قوة أقل.
استخدم هذا البحث بنجاح البثق المشترك متعدد الطبقات لإنتاج مواد مركبة TPU/SWCNT عالية الأداء. من خلال التشتت المسبق لـ SWCNT والخلط الثابت والبثق المشترك متعدد الطبقات، حققت الدراسة تشتتًا وتوافقًا ممتازين لـ SWCNT، مما أدى إلى موصلية فائقة عند محتوى CNT منخفض مع الحفاظ على المرونة.
تشمل اتجاهات البحث المستقبلية:
يمثل البثق المشترك متعدد الطبقات إمكانات كبيرة لتطوير المواد المركبة البوليمرية المتقدمة، مما يعد بتلبية المتطلبات المتزايدة للمواد عالية الأداء ومتعددة الوظائف عبر مختلف الصناعات.
اتصل شخص: Ms. Chen
الهاتف :: +86-13510209426
Arabic
