noticias de la compañía sobre La coextrusión multicapa mejora la conductividad del compuesto TPUSWCNT

La creciente demanda de compuestos poliméricos ligeros y altamente conductores en campos emergentes como la piel electrónica y los sensores flexibles ha impulsado a los investigadores a explorar soluciones innovadoras. Los nanotubos de carbono (CNT), con su excepcional conductividad, alta relación de aspecto y propiedades de ligereza, han surgido como rellenos ideales para los compuestos a base de polímeros. Sin embargo, el desafío de lograr una dispersión uniforme de CNT en matrices poliméricas, manteniendo al mismo tiempo bajos umbrales de percolación, sigue siendo un foco de investigación crítico.

Los CNT poseen propiedades eléctricas notables, con una conductividad intrínseca que alcanza aproximadamente 10³ S/m. La incorporación de CNT en matrices poliméricas para crear materiales conductores se ha convertido en una técnica ampliamente utilizada, que muestra un tremendo potencial en aplicaciones que van desde sensores y dispositivos portátiles hasta polímeros con memoria de forma, materiales autorreparables y dispositivos de almacenamiento de energía.

El umbral de percolación eléctrica (ϕc) representa la concentración crítica de CNT donde la conductividad del compuesto aumenta rápidamente debido a la formación de una red conductora. Los estudios teóricos sugieren que la alta relación de aspecto de los CNT podría permitir alcanzar ϕc con cargas extremadamente bajas (tan bajas como 0,1% en peso). Sin embargo, los desafíos prácticos, incluida la alta viscosidad de los polímeros termoplásticos, las fuertes fuerzas de van der Waals entre los CNT y la débil adhesión interfacial entre los CNT y los polímeros, han impedido alcanzar un ϕc ideal con cargas mínimas.

En los compuestos de matriz termoplástica, ϕc suele oscilar entre el 0,2 y el 15% en peso de contenido de CNT. Las estrategias comunes para reducir ϕc incluyen la mejora de la solubilidad/reactividad de los CNT mediante la modificación y purificación de la superficie, así como el uso de compatibilizantes para mejorar la dispersión. La selección del método de procesamiento también resulta crucial para lograr una distribución óptima del relleno.

Varias técnicas de procesamiento por fusión han producido con éxito compuestos polímero/CNT bien dispersos, incluidos los extrusores de doble husillo contrarrotantes y los mezcladores intensivos. Los enfoques menos convencionales, como el montaje de estructuras en capas, ofrecen ventajas a través del posicionamiento selectivo del relleno y una mejor dispersión.

El montaje forzado de coextrusión multicapa proporciona una ruta de procesamiento por fusión continua y flexible que crea estructuras en capas a través del estiramiento, corte y apilamiento repetidos de flujos de fusión basados en la transformación de Baker. Típicamente, dos fusiones de polímeros separadas se unen en un bloque de alimentación de coextrusión convencional para formar una estructura bicapa inicial, luego fluyen secuencialmente a través de elementos multiplicadores de capas (LME) que dividen y recombinan la fusión para aumentar gradualmente el recuento de capas.

Este confinamiento de la capa polimérica ha demostrado propiedades mecánicas, de barrera de gas, ópticas, dieléctricas y de memoria de forma mejoradas. El grosor de la capa depende principalmente del rendimiento de cada componente y del número de capas formadas. Los informes de investigación indican recuentos máximos de capas de 16.384 a través de la coextrusión multicapa, con grosores de capa que van desde micras hasta nanómetros.

El estudio diseñó y fabricó un dispositivo prototipo que aplicaba la transformación de Baker utilizando pequeños LME con canales de mezcla DentIncx. Este enfoque ofrece requisitos de fabricación más sencillos, manteniendo al mismo tiempo la eficacia para los procesos de extrusión por fusión.

La investigación seleccionó poliuretano termoplástico (TPU) de grado industrial por su flexibilidad, resistencia al desgaste y estabilidad química. Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) con alta pureza y distribución uniforme del diámetro aseguraron propiedades eléctricas óptimas. El polipropilenglicol (PPG) sirvió como pre-dispersante de SWCNT, ofreciendo buena compatibilidad y baja viscosidad para facilitar la dispersión de CNT.

Los investigadores primero pre-dispersaron los SWCNT en PPG mediante ultrasonidos para crear suspensiones homogéneas. Luego mezclaron TPU con suspensiones de SWCNT/PPG en proporciones específicas utilizando extrusión de doble husillo a 180-200°C con velocidades de husillo de 50-100 rpm. Los mezcladores estáticos instalados en la salida del extrusor proporcionaron mezcla y cizallamiento adicionales para mejorar la dispersión de CNT.

El proceso alimentó compuestos de TPU/SWCNT fundidos y TPU puro por separado en equipos de coextrusión multicapa que contenían un bloque de alimentación de coextrusión y múltiples LME. La estructura bicapa inicial formada en el bloque de alimentación se sometió a capas, estiramientos y recombinaciones repetidos a través de los LME, creando finalmente estructuras con cientos o miles de capas. El ajuste de los caudales de fusión y las cantidades de LME permitió un control preciso sobre el grosor de la capa.

La microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopía electrónica de transmisión (TEM) revelaron una dispersión de SWCNT significativamente mejorada en las matrices de TPU después de la mezcla estática y la coextrusión multicapa, con una aglomeración notablemente reducida. Las observaciones de TEM confirmaron además la distribución y orientación uniformes de SWCNT dentro de las capas de TPU.

Las pruebas de tracción demostraron que los compuestos de TPU/SWCNT exhibieron una mayor resistencia a la tracción y un mayor módulo elástico que el TPU puro, aunque con una ligera reducción del alargamiento a la rotura. La coextrusión multicapa produjo compuestos con propiedades mecánicas anisotrópicas, que mostraban una mayor resistencia a la tracción a lo largo de la dirección de extrusión en comparación con las orientaciones perpendiculares.

Las mediciones de la sonda de cuatro puntos revelaron un umbral de conductividad del 0,3% en peso de contenido de SWCNT, lo que indica la formación efectiva de una red conductora. La conductividad continuó aumentando con cargas más altas de SWCNT. La coextrusión multicapa produjo compuestos con una conductividad significativamente mayor que las contrapartes mezcladas por fusión convencionales, atribuida a una dispersión y alineación superiores de SWCNT.

El estudio demuestra que la coextrusión multicapa combinada con la pre-dispersión de SWCNT y la mezcla estática mejora eficazmente la conductividad del compuesto de TPU/SWCNT. La pre-dispersión reduce la energía superficial de los SWCNT y las tendencias de aglomeración, mientras que la mezcla estática proporciona una homogeneización y cizallamiento completos de la fusión. La coextrusión multicapa optimiza la distribución de SWCNT a través de estructuras en capas controladas, logrando una conductividad excepcional con bajo contenido de CNT.

La anisotropía mecánica observada se correlaciona con la orientación de los SWCNT dentro de las capas de TPU. A lo largo de la dirección de extrusión, los SWCNT predominantemente alineados aumentan la resistencia a la tracción, mientras que las orientaciones perpendiculares más aleatorias muestran una menor resistencia.

Esta investigación empleó con éxito la coextrusión multicapa para producir compuestos de TPU/SWCNT de alto rendimiento. A través de la pre-dispersión de SWCNT, la mezcla estática y la coextrusión multicapa, el estudio logró una excelente dispersión y alineación de SWCNT, lo que produjo una conductividad superior con bajo contenido de CNT, manteniendo al mismo tiempo la flexibilidad.

Las direcciones futuras de la investigación incluyen:

• Optimización de los parámetros de coextrusión multicapa para un mejor rendimiento del compuesto
• Investigación de los efectos de diferentes tipos de CNT en las propiedades del compuesto
• Extensión de la técnica a otros compuestos de matriz polimérica
• Exploración de aplicaciones en materiales inteligentes y compuestos biomédicos

La coextrusión multicapa presenta un potencial significativo para el desarrollo de compuestos poliméricos avanzados, prometiendo satisfacer las crecientes demandas de materiales multifuncionales y de alto rendimiento en diversas industrias.