le blog À propos La coextrusion multicouche améliore la conductivité des composites TPUSWCNT

La demande croissante de composites polymères légers et hautement conducteurs dans des domaines émergents tels que la peau électronique et les capteurs flexibles a incité les chercheurs à explorer des solutions innovantes. Les nanotubes de carbone (NTC), avec leur conductivité exceptionnelle, leur rapport d'aspect élevé et leurs propriétés de légèreté, sont apparus comme des charges idéales pour les composites à base de polymères. Cependant, le défi d'obtenir une dispersion uniforme des NTC dans les matrices polymères tout en maintenant de faibles seuils de percolation reste un axe de recherche crucial.

Les NTC possèdent des propriétés électriques remarquables, avec une conductivité intrinsèque atteignant environ 10³ S/m. L'incorporation de NTC dans des matrices polymères pour créer des matériaux conducteurs est devenue une technique largement utilisée, montrant un potentiel énorme dans des applications allant des capteurs et des dispositifs portables aux polymères à mémoire de forme, aux matériaux auto-cicatrisants et aux dispositifs de stockage d'énergie.

Le seuil de percolation électrique (ϕc) représente la concentration critique de NTC où la conductivité du composite augmente rapidement en raison de la formation d'un réseau conducteur. Des études théoriques suggèrent que le rapport d'aspect élevé des NTC pourrait permettre d'atteindre ϕc à des charges extrêmement faibles (aussi basses que 0,1 % en poids). Cependant, des défis pratiques, notamment la viscosité élevée des polymères thermoplastiques, les fortes forces de van der Waals entre les NTC et la faible adhérence interfaciale entre les NTC et les polymères, ont empêché d'atteindre un ϕc idéal à des charges minimales.

Dans les composites à matrice thermoplastique, ϕc se situe généralement entre 0,2 et 15 % en poids de NTC. Les stratégies courantes pour réduire ϕc incluent l'amélioration de la solubilité/réactivité des NTC par modification et purification de surface, ainsi que l'utilisation de compatibilisateurs pour améliorer la dispersion. La sélection de la méthode de traitement s'avère également cruciale pour obtenir une distribution optimale des charges.

Diverses techniques de traitement à l'état fondu ont permis de produire avec succès des composites polymère/NTC bien dispersés, notamment les extrudeuses à vis jumelles corotatives et les mélangeurs intensifs. Des approches moins conventionnelles, telles que l'assemblage de structures en couches, offrent des avantages grâce au positionnement sélectif des charges et à une meilleure dispersion.

L'assemblage forcé par coextrusion multicouche fournit une voie de traitement à l'état fondu continue et flexible qui crée des structures en couches grâce à l'étirement, la coupe et l'empilement répétés des flux de matière fondue basés sur la transformation de Baker. Typiquement, deux matières polymères fondues distinctes se rejoignent dans un bloc d'alimentation de coextrusion conventionnel pour former une structure bicouche initiale, puis s'écoulent séquentiellement à travers des éléments de multiplication de couches (LME) qui divisent et recombinent la matière fondue pour augmenter progressivement le nombre de couches.

Ce confinement des couches polymères a démontré des propriétés mécaniques, de barrière aux gaz, optiques, diélectriques et de mémoire de forme améliorées. L'épaisseur des couches dépend principalement du débit de chaque composant et du nombre de couches formées. Les rapports de recherche indiquent des nombres de couches maximum de 16 384 par coextrusion multicouche, avec des épaisseurs de couches allant de microns à nanomètres.

L'étude a conçu et fabriqué un prototype d'appareil appliquant la transformation de Baker en utilisant de petits LME avec des canaux de mélange DentIncx. Cette approche offre des exigences de fabrication plus simples tout en conservant son efficacité pour les procédés d'extrusion à l'état fondu.

La recherche a sélectionné du polyuréthane thermoplastique (TPU) de qualité industrielle pour sa flexibilité, sa résistance à l'usure et sa stabilité chimique. Les nanotubes de carbone à paroi unique (NTC-SW) avec une grande pureté et une distribution uniforme des diamètres ont assuré des propriétés électriques optimales. Le polypropylène glycol (PPG) a servi de pré-dispersant des NTC-SW, offrant une bonne compatibilité et une faible viscosité pour faciliter la dispersion des NTC.

Les chercheurs ont d'abord pré-dispersé les NTC-SW dans le PPG par ultrasons pour créer des suspensions homogènes. Ils ont ensuite mélangé le TPU avec des suspensions de NTC-SW/PPG dans des rapports spécifiques en utilisant une extrusion à double vis à 180-200°C avec des vitesses de vis de 50-100 tr/min. Des mélangeurs statiques installés à la sortie de l'extrudeuse ont fourni un mélange et un cisaillement supplémentaires pour améliorer la dispersion des NTC.

Le procédé a alimenté des composites TPU/NTC-SW fondus et du TPU pur séparément dans un équipement de coextrusion multicouche contenant un bloc d'alimentation de coextrusion et de multiples LME. La structure bicouche initiale formée dans le bloc d'alimentation a subi une superposition, un étirement et une recombinaison répétés à travers les LME, créant finalement des structures avec des centaines ou des milliers de couches. L'ajustement des débits de matière fondue et des quantités de LME a permis un contrôle précis de l'épaisseur des couches.

La microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique à transmission (MET) ont révélé une dispersion significativement améliorée des NTC-SW dans les matrices TPU après le mélange statique et la coextrusion multicouche, avec une réduction marquée de l'agglomération. Les observations MET ont en outre confirmé une distribution et une orientation uniformes des NTC-SW dans les couches TPU.

Les essais de traction ont démontré que les composites TPU/NTC-SW présentaient une résistance à la traction et un module d'élasticité plus élevés que le TPU pur, bien qu'avec un allongement à la rupture légèrement réduit. La coextrusion multicouche a produit des composites avec des propriétés mécaniques anisotropes, montrant une résistance à la traction plus élevée le long de la direction d'extrusion par rapport aux orientations perpendiculaires.

Les mesures à quatre pointes ont révélé un seuil de conductivité à 0,3 % en poids de NTC-SW, indiquant la formation efficace d'un réseau conducteur. La conductivité a continué d'augmenter avec des charges de NTC-SW plus élevées. La coextrusion multicouche a produit des composites avec une conductivité significativement plus élevée que les contreparties mélangées à l'état fondu conventionnelles, attribuée à une dispersion et un alignement supérieurs des NTC-SW.

L'étude démontre que la coextrusion multicouche combinée à la pré-dispersion des NTC-SW et au mélange statique améliore efficacement la conductivité des composites TPU/NTC-SW. La pré-dispersion réduit l'énergie de surface et les tendances à l'agglomération des NTC-SW, tandis que le mélange statique fournit une homogénéisation et un cisaillement complets de la matière fondue. La coextrusion multicouche optimise la distribution des NTC-SW grâce à des structures en couches contrôlées, obtenant une conductivité exceptionnelle à faible teneur en NTC.

L'anisotropie mécanique observée est corrélée à l'orientation des NTC-SW dans les couches TPU. Le long de la direction d'extrusion, les NTC-SW principalement alignés augmentent la résistance à la traction, tandis que les orientations perpendiculaires plus aléatoires présentent une résistance plus faible.

Cette recherche a utilisé avec succès la coextrusion multicouche pour produire des composites TPU/NTC-SW haute performance. Grâce à la pré-dispersion des NTC-SW, au mélange statique et à la coextrusion multicouche, l'étude a obtenu une excellente dispersion et un excellent alignement des NTC-SW, ce qui a donné une conductivité supérieure à faible teneur en NTC tout en conservant la flexibilité.

Les orientations de recherche futures incluent :

• Optimiser les paramètres de coextrusion multicouche pour améliorer les performances des composites
• Étudier les effets de différents types de NTC sur les propriétés des composites
• Étendre la technique à d'autres composites à matrice polymère
• Explorer les applications dans les matériaux intelligents et les composites biomédicaux

La coextrusion multicouche présente un potentiel important pour le développement de composites polymères avancés, promettant de répondre aux demandes croissantes de matériaux multifonctionnels et haute performance dans diverses industries.