曼彻斯特城市大学《RSC Adv》：嵌入石墨烯、多壁碳纳米管和炭黑的再生PETg，用于高性能导电增材制造原料

成果简介

本文，曼彻斯特城市大学Craig E. Banks等研究人员在《RSC Adv》期刊发表名为“Recycled PETg embedded with graphene, multi-walled carbon nanotubes and carbon black for high-performance conductive additive manufacturing feedstock”的论文，研究首次报道了用于增材制造和电化学应用的导电回收聚对苯二甲酸乙二酯（rPETg）。石墨烯纳米颗粒（GNP）、多壁碳纳米管（MWCNT）和炭黑（CB）被嵌入回收原料中，从而生产出电阻低于市售导电聚乳酸（PLA）的长丝。

除导电性外，rPETg 还能在不使用增塑剂的情况下多容纳 >10 wt% 的导电填料，具有更高的温度稳定性、更高的模量、更好的耐化学性、更低的溶液渗入水平，并可在乙醇中消毒。使用碳材料 CB/MWCNT/GNP（25/2.5/2.5 wt%）混合物后，rPETg 长丝的电化学性能显著提高，其异质电化学速率常数^k0 相当于 0.88 (±0.01) ×^10-3cm s-¹，而商用导电聚乳酸的速率常数为 0.46 (±0.02) ×^10-3cm^s-1。这项工作实现了增材制造和电化学应用的范式转变，使电极的生产具有更强的电气、化学和机械性能，同时通过使用回收原料提高了生产的可持续性。

图文导读

图1、(A) 导电回收 PETg 快速成型丝的生产示意图。(B) 显示导电 rPETg 长丝柔韧性的照片。(C) 导电 rPETg 的热重分析（25 wt% CB、2.5 wt% GNP、2.5 wt% MWCNT）。(D) 拉伸测试得出的模量图，误差由三个重复样品计算得出。

图2、(A) rPETg（25 wt% CB、2.5 wt% GNP、2.5 wt% MWCNT）和商用导电聚乳酸的电化学活化曲线。使用镍铬丝对电极和 Ag|AgCl 参比电极（3 M KCl）在 NaOH（0.5 M）中以+1.4 V 200 秒和-1.0 V 200 秒的条件下进行活化。(B) 电化学活化后 rPETg（25 wt% CB，2.5 wt% GNP，2.5 wt% MWCNT）的 XPS C 1s 区域。(C) 电化学活化后rPETg（25 wt% CB、2.5 wt% GNP、2.5 wt% MWCNT）的 XPS O 1s 区域。(D) 电化学活化后 rPETg（25 wt% CB、2.5 wt% GNP、2.5 wt% MWCNT）的拉曼光谱。(E) 电化学活化前 rPETg（25 wt% CB、2.5 wt% GNP、2.5 wt% MWCNT）电极表面的扫描电镜图像。(F) 电化学活化后 rPETg（25 wt% CB、2.5 wt% GNP、2.5 wt% MWCNT）电极表面的 SEM 图像。

图3、对由三种导电rPETg丝打印的增材制造电极进行了电化学表征

小结

在这项工作中，研究展示了第一种导电 PETg 长丝的生产过程，这种长丝由嵌入了石墨烯纳米片、多壁碳纳米管和炭黑的再生 PETg 印刷品制成。这种 rPETg 长丝在制造过程中无需添加增塑剂，同时仍能保持极佳的低温柔韧性。与文献中经常使用的商业导电聚乳酸长丝相比，rPETg 长丝的温度稳定性、耐化学性和模量都有所提高。从rPETg长丝打印的增材制造电极的电化学表征强调，所有碳材料的组合产生了具有改进导电性的长丝。与商用导电聚乳酸相比，CB/MWCNT/GNP（25/2.5/2.5 wt%）rPETg 长丝的k0显著提高，这表明除了其他有益特性外，其电化学性能也得到了改善。rPETg 增材制造电极的溶液渗入明显减少，这表明它可以比单次电极使用更多的时间。此外，在乙醇中消毒后，电化学反应的变化极小，这为今后在医疗保健领域的应用提供了可能。这项工作展示了如何将增材制造和电化学结合起来，用不同材料生产出高质量电极的范式转变，同时还利用了可回收原料，进一步提高了该领域的可持续性。

文献：https://doi.org/10.1039/D3RA08524D