Materiały nanokompozytowe do urządzeń elektronicznych wytwarzanych metodą druku trójwymiarowego
Technika szybkiego prototypowania jest dobrze znana ze względu na jej wygodę i opłacalność. Dzięki drukarkom trójwymiarowym firmy mogą skrócić cykl wytwarzania produktów, oszczędzając przy tym znaczne sumy pieniędzy. Podczas gdy sama technika jest bardzo dobrze dopracowana, przetwarzane z jej pomocą materiały wymagają sporych usprawnień. „Obecnie technologia druku trójwymiarowego może być klasyfikowana w zależności od materiału użytego do drukowania prototypów. Tworzywa termoplastyczne, takie jak ABS lub PLA, należą do najczęściej używanych materiałów: są bardzo podatne na formowanie i opłacalne, co sprawia, że są najczęściej wybieranym materiałem do produkcji dodatków”, mówi dr Maria Soria, specjalista w dziedzinie chemii półprzewodników w Instytucie Materiałoznawstwa w Barcelonie (ICMAB). Łatwość formowania nie oznacza jednak jakości. W rzeczywistości taka właściwość może stać się wadą, ponieważ opór materiału zależy od gradientu temperatury (wielkości fizycznej, która opisuje kierunek oraz tempo najszybszych zmian temperatury wokół danej lokalizacji): tworzywa termoplastyczne szybko stają się bezużyteczne podczas drukowania prototypów wymagających specjalnej wytrzymałości termicznej. Ponadto nie wykazują przewodności, co również ogranicza ich użycie. Dlatego wydaje się naturalne, że naukowcy będą poszukiwać nowych materiałów o lepszych właściwościach strukturalnych i przewodzących. Grafen, cechujący się wysoką przewodnością, wytrzymałością mechaniczną, hierarchicznymi strukturami porów oraz porowatymi kanałami, jest idealnym kandydatem. „Nasz pomysł polega na wykorzystaniu grafenu lub jego pochodnej przy jednoczesnym zachowaniu powiązanych zalet tworzyw termoplastycznych, takich jak zdolność do formowania. Jesteśmy przekonani, że zastosowanie materiałów nanokompozytowych wzmocnionych grafenem w technologii druku trójwymiarowego może mieć destrukcyjny wpływ na rynek”, wyjaśnia dr Soria. Dzięki finansowaniu w ramach projektu 3D-PRINTGRAPH (Graphene reinforce composites for 3D printing technology) Dr Soria rozpoczęła trwające dwa lata przedsięwzięcie, którego celem było „scalenie” warstwowego grafenu z polimerami o najniższej temperaturze topnienia na potrzeby ich zastosowania do druku trójwymiarowego w przyszłości. Jeśli projekt zakończy się sukcesem, może utorować drogę do produkcji urządzeń elektronicznych, takich jak baterie, czujniki i anteny radiowe. „Przeprowadziliśmy już syntezę i charakterystykę kompozytów PLA, ABS, PCL oraz PCL-Diol z grafenem, co najpierw wymagało syntezy grafenu. Użyliśmy grafitu jako prekursora, a dzięki jego utlenianiu i następującej po nim redukcji chemicznej uzyskaliśmy zredukowany tlenek grafenu (RGO) o właściwościach zbliżonych do grafenu. Następnie zsyntetyzowaliśmy kompozyty o zawartości 4% grafenu, uzyskując materiały o pozornej homogeniczności we wszystkich przypadkach”, wyjaśnia dr Soria. Chociaż projekt zakończy się dopiero pod koniec sierpnia, nowe kompozyty już wykazują lepszą wytrzymałość mechaniczną i odporność termiczną niż polimery bez dodatku grafenu. Naukowcy stwierdzili jednak, że 4% grafenu – maksymalna ilość pozwalająca na utrzymanie odpowiedniej lepkosprężystości i adhezji w materiale końcowym – nie jest wystarczająca do zapewnienia wymaganej przewodności. „Musimy teraz zbadać nowe sposoby homogenizacji mieszaniny polimer-grafen, a nawet zwiększyć ilość grafenu w mieszaninie, aby zapewnić kontakt między warstwami grafenu i ułatwić przewodnictwo”, mówi dr Soria. Oprócz tych prac, które mają kluczowe znaczenie dla projektu, dr Soria i jej zespół opracowują nanokompozyty oparte na fotoutwardzalnych polimerach i grafenie, aby zapewnić terminową realizację głównych etapów projektu i zwiększyć ogólną skuteczność badań. Podkreśla to przełomowy charakter projektu. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, konsorcjum rozpocznie współpracę ze spółką Hewlett-Packard w Barcelonie w celu przetestowania opracowanych nanokompozytów grafenu na drukarkach trójwymiarowych.
Słowa kluczowe
3D-PRINTGRAPH, nanokompozyty, druk trójwymiarowy, grafen, przewodzący, kompozyty
