导电3D打印石墨烯聚合物纳米复合材料

在最近发表在《材料》杂志上的一项研究中，聚乳酸（PLA）和聚己内酯（PCL）与各种石墨烯纳米片组合物（GNP）相结合，研究了3D打印材料的润湿性，形态学，流变性，热电，结构和电气特性。

研究：使用熔融长丝制造（FFF）3D打印技术制造PLA / PCL / 石墨烯纳米片（GNP）导电电路。图片来源：Alex_Traksel/Shutterstock.com

塑料的用途

塑料越来越多地用于各种应用。然而，由于对具有环保特性的可持续产品的需求增加，天然聚合物最近引起了很多关注。

合成聚合物产品替代的原因之一是不可生物降解的塑料垃圾在海洋和海洋栖息地的扩散，以及对人类和水生生物的风险，这已成为一个严重的问题。

生物可再生资源现在可用于替代生产生物聚合物时经常使用的油基材料，这些聚合物通常可以通过生态良性生物反应器进行回收。

图 1.根据三种不同的光栅角度的不同3D打印图案：（a）+45°/−45°，（b）0°和（c）90°。© 马萨拉，新泽西州等人（2022）。

什么是聚乳酸

聚乳酸（PLA）是一种生物复合材料，是一种可回收，无毒和可堆肥的芳香族聚合物。它具有显著的机械性能，例如3-4 GPa区域的弹性模量和60-70 MPa区域的抗压强度。

聚乳酸确实具有某些缺点，例如缺乏柔韧性;然而，将其与其他弹性塑料（如聚己内酯（PCL））结合使用可能会增加其硬度。此外，由于两种聚合物的结构和摩擦特性各不相同，因此它们的混合可以提供具有良好平衡能力的材料。

由于其成本低廉，使用简单，紧凑以及生产多用途物品的能力，熔融长丝制造（FFF）技术是一种有趣的3D打印方法。

聚乳酸是FFF消费者中最常用的材料。此外，FFF是制造碳材料产品的潜在技术，利用该工艺创建新型导电聚合物复合材料是可取的。

使用的方法

这项研究首次描述了能够连接电路的导电PLA / PCL / GNP 3D打印材料的创建。

将聚乳酸和聚己内酯与GNP结合，并投影为使用熔融混合工艺的链。

最终，这些线程是使用FFF方法进行3D打印的。

在显微硬度检查的同时，合成的3D打印样品暴露于接触度评估，润湿性，热，物理和电阻抗测试。为了研究印刷技术对纳米复合材料形貌和电学特性的可能影响，制作了注塑成型试样作为参考。

图 2.（a） 3D打印的PLA/PCL/15 wt% M5的扫描电镜图像;（b–d）注塑PLA / PCL / 15 wt.%M5复合材料的SEM图像（黄色椭圆包围一些石墨烯薄片，虚线表示注塑样品中石墨烯血小板的相似方向）。© 马萨拉，新泽西州等人（2022）。

本研究的意义

这项工作首次展示了使用FFF方法生产的半导电PLA / PCL / GNP材料。

微观结构研究表明，M5石墨烯纳米片组合物优先定位在聚己内酯而不是聚乳酸中;这归因于PCL较低的密度和热性能，这有利于在喷射过程中放置石墨。

这与渗透率预测相反，表明在这种情况下，运动变量战胜了气象学考虑。

GNP / PCL簇的尺寸大于普通的聚己内酯植入物。温度测试表明，石墨附近的耐久性没有改善，这可能归因于这些纳米材料在环氧树脂中的结块。

DSC实验表明，聚乳酸结晶的比例在聚己内酯附近有所上升，并且随着石墨用量的增加而有所提高。

研究结果和结论

使用四探头技术的阻抗测量显示，热成型纳米复合材料15%，20%和25%是电隔离器，但3D打印纳米复合材料是相同比例的石墨是半导体。

特别是20重量%和25重量%的3D打印标本，已经准备好连接布线。对这些差异的解释是由于该程序引起的两种标本的微观结构变化。

注射器标本的界面上没有足够的填充颗粒，但3D打印的标本在产生的线的外部有石墨颗粒，其方向与生产模式相匹配。

在低频区域存储弹性图时存在驼峰，这表明构建了粘弹性可穿透系统，该系统比电子可穿透通道需要更少的石墨。

杨氏模量的发现与电学数据一致，增加石墨比例导致这一特性的改善，但在石墨烯纳米片组合物的15重量%处发生扁平化。

然而，随着石墨烯比例的增加，导致组合物诱导复合材料的延展性降低。

同样值得注意的是，矢量方向影响了电阻率的发现，印在纵轴上的试样在电导方面表现最佳。

参考

Masarra, N.-A. et al. (2022). Fabrication of PLA/PCL/Graphene Nanoplatelet (GNP) Electrically Conductive Circuit Using the Fused Filament Printing Technique. materials. Available at: https://www.mdpi.com/1996-1944/15/3/762