Blog Tentang Koekstrusi Multilapis Meningkatkan Konduktivitas Komposit TPUSWCNT

Permintaan yang meningkat untuk komposit polimer ringan dan sangat konduktif di bidang-bidang baru seperti kulit elektronik dan sensor fleksibel telah mendorong para peneliti untuk mengeksplorasi solusi inovatif. Nanotube karbon (CNT), dengan konduktivitasnya yang luar biasa, rasio aspek yang tinggi, dan sifat ringan, telah muncul sebagai pengisi ideal untuk komposit berbasis polimer. Namun, tantangan untuk mencapai dispersi CNT yang seragam dalam matriks polimer sambil mempertahankan ambang perkolasi yang rendah tetap menjadi fokus penelitian yang kritis.

CNT memiliki sifat listrik yang luar biasa, dengan konduktivitas intrinsik mencapai sekitar 10³ S/m. Menggabungkan CNT ke dalam matriks polimer untuk membuat bahan konduktif telah menjadi teknik yang banyak digunakan, menunjukkan potensi luar biasa dalam aplikasi mulai dari sensor dan perangkat yang dapat dikenakan hingga polimer memori bentuk, bahan penyembuhan diri, dan perangkat penyimpanan energi.

Ambang perkolasi listrik (ϕc) mewakili konsentrasi CNT kritis di mana konduktivitas komposit meningkat pesat karena pembentukan jaringan konduktif. Studi teoretis menunjukkan bahwa rasio aspek tinggi CNT dapat memungkinkan pencapaian ϕc pada muatan yang sangat rendah (serendah 0,1% berat). Namun, tantangan praktis termasuk viskositas tinggi polimer termoplastik, gaya van der Waals yang kuat antara CNT, dan adhesi antarmuka yang lemah antara CNT dan polimer telah menghambat pencapaian ϕc yang ideal pada muatan minimal.

Dalam komposit matriks termoplastik, ϕc biasanya berkisar antara 0,2 hingga 15% berat konten CNT. Strategi umum untuk mengurangi ϕc termasuk meningkatkan kelarutan/reaktivitas CNT melalui modifikasi permukaan dan pemurnian, serta menggunakan kompatibilisator untuk meningkatkan dispersi. Pemilihan metode pemrosesan juga terbukti penting untuk mencapai distribusi pengisi yang optimal.

Berbagai teknik pemrosesan leleh telah berhasil menghasilkan komposit polimer/CNT yang terdispersi dengan baik, termasuk ekstruder ulir ganda yang berputar bersama dan pencampur intensif. Pendekatan yang kurang konvensional seperti perakitan struktur berlapis menawarkan keuntungan melalui penempatan pengisi selektif dan peningkatan dispersi.

Koekstrusi multilapis perakitan paksa menyediakan rute pemrosesan leleh yang berkelanjutan dan fleksibel yang menciptakan struktur berlapis melalui peregangan, pemotongan, dan penumpukan aliran leleh berulang berdasarkan transformasi tukang roti. Biasanya, dua lelehan polimer terpisah bergabung dalam feedblock koekstrusi konvensional untuk membentuk struktur bilayer awal, kemudian mengalir secara berurutan melalui elemen pengganda lapisan (LME) yang membagi dan menggabungkan kembali lelehan untuk secara bertahap meningkatkan jumlah lapisan.

Konfinemen lapisan polimer ini telah menunjukkan peningkatan sifat mekanik, penghalang gas, optik, dielektrik, dan memori bentuk. Ketebalan lapisan terutama bergantung pada keluaran setiap komponen dan jumlah lapisan yang terbentuk. Laporan penelitian menunjukkan jumlah lapisan maksimum 16.384 melalui koekstrusi multilapis, dengan ketebalan lapisan mulai dari mikron hingga nanometer.

Studi ini merancang dan membuat perangkat prototipe yang menerapkan transformasi tukang roti menggunakan LME kecil dengan saluran pencampuran DentIncx. Pendekatan ini menawarkan persyaratan manufaktur yang lebih sederhana sambil mempertahankan efektivitas untuk proses ekstrusi leleh.

Penelitian memilih poliuretan termoplastik (TPU) kelas industri karena fleksibilitas, ketahanan aus, dan stabilitas kimianya. Nanotube karbon dinding tunggal (SWCNT) dengan kemurnian tinggi dan distribusi diameter seragam memastikan sifat listrik yang optimal. Polipropilen glikol (PPG) berfungsi sebagai pra-pendispersi SWCNT, menawarkan kompatibilitas yang baik dan viskositas rendah untuk memfasilitasi dispersi CNT.

Para peneliti pertama kali mendispersikan SWCNT dalam PPG melalui ultrasonikasi untuk membuat suspensi homogen. Mereka kemudian mencampur TPU dengan suspensi SWCNT/PPG dalam rasio tertentu menggunakan ekstrusi ulir ganda pada suhu 180-200°C dengan kecepatan ulir 50-100 rpm. Pencampur statis yang dipasang di pintu keluar ekstruder memberikan pencampuran dan geser tambahan untuk meningkatkan dispersi CNT.

Proses tersebut memasukkan komposit TPU/SWCNT cair dan TPU murni secara terpisah ke dalam peralatan koekstrusi multilapis yang berisi feedblock koekstrusi dan beberapa LME. Struktur bilayer awal yang terbentuk di feedblock mengalami pelapisan, peregangan, dan rekombinasi berulang melalui LME, yang pada akhirnya menciptakan struktur dengan ratusan atau ribuan lapisan. Menyesuaikan laju aliran leleh dan jumlah LME memungkinkan kontrol yang tepat atas ketebalan lapisan.

Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) dan mikroskopi elektron transmisi (TEM) mengungkapkan dispersi SWCNT yang meningkat secara signifikan dalam matriks TPU setelah pencampuran statis dan koekstrusi multilapis, dengan aglomerasi yang sangat berkurang. Pengamatan TEM lebih lanjut mengkonfirmasi distribusi dan orientasi SWCNT yang seragam dalam lapisan TPU.

Pengujian tarik menunjukkan bahwa komposit TPU/SWCNT menunjukkan kekuatan tarik dan modulus elastis yang lebih tinggi daripada TPU murni, meskipun dengan perpanjangan sedikit berkurang saat putus. Koekstrusi multilapis menghasilkan komposit dengan sifat mekanik anisotropik, menunjukkan kekuatan tarik yang lebih tinggi di sepanjang arah ekstrusi dibandingkan dengan orientasi tegak lurus.

Pengukuran probe empat titik mengungkapkan ambang konduktivitas pada kandungan SWCNT 0,3% berat, yang menunjukkan pembentukan jaringan konduktif yang efektif. Konduktivitas terus meningkat dengan muatan SWCNT yang lebih tinggi. Koekstrusi multilapis menghasilkan komposit dengan konduktivitas yang secara signifikan lebih tinggi daripada rekan-rekan yang dicampur leleh konvensional, yang dikaitkan dengan dispersi dan penyelarasan SWCNT yang unggul.

Studi ini menunjukkan bahwa koekstrusi multilapis yang dikombinasikan dengan pra-dispersi SWCNT dan pencampuran statis secara efektif meningkatkan konduktivitas komposit TPU/SWCNT. Pra-dispersi mengurangi energi permukaan SWCNT dan kecenderungan aglomerasi, sementara pencampuran statis memberikan homogenisasi leleh dan geser yang menyeluruh. Koekstrusi multilapis mengoptimalkan distribusi SWCNT melalui struktur berlapis yang terkontrol, mencapai konduktivitas yang luar biasa pada kandungan CNT yang rendah.

Anisotropi mekanik yang diamati berkorelasi dengan orientasi SWCNT dalam lapisan TPU. Di sepanjang arah ekstrusi, SWCNT yang sebagian besar sejajar meningkatkan kekuatan tarik, sementara orientasi tegak lurus yang lebih acak menunjukkan kekuatan yang lebih rendah.

Penelitian ini berhasil menggunakan koekstrusi multilapis untuk menghasilkan komposit TPU/SWCNT berkinerja tinggi. Melalui pra-dispersi SWCNT, pencampuran statis, dan koekstrusi multilapis, studi ini mencapai dispersi dan penyelarasan SWCNT yang sangat baik, menghasilkan konduktivitas yang unggul pada kandungan CNT yang rendah sambil mempertahankan fleksibilitas.

Arah penelitian di masa depan meliputi:

• Mengoptimalkan parameter koekstrusi multilapis untuk kinerja komposit yang ditingkatkan
• Menyelidiki efek berbagai jenis CNT pada sifat komposit
• Memperluas teknik ke komposit matriks polimer lainnya
• Menjelajahi aplikasi dalam bahan pintar dan komposit biomedis

Koekstrusi multilapis menghadirkan potensi signifikan untuk pengembangan komposit polimer canggih, menjanjikan untuk memenuhi permintaan yang meningkat untuk bahan berkinerja tinggi dan multifungsi di berbagai industri.