Blogue sobre Coextrusão Multicamadas Aumenta a Condutividade de Compósitos TPUSWCNT

A crescente demanda por compósitos poliméricos leves e altamente condutores em áreas emergentes como pele eletrônica e sensores flexíveis impulsionou os pesquisadores a explorar soluções inovadoras. Os nanotubos de carbono (CNTs), com sua condutividade excepcional, alta relação de aspecto e propriedades de leveza, surgiram como cargas ideais para compósitos à base de polímeros. No entanto, o desafio de alcançar uma dispersão uniforme de CNTs em matrizes poliméricas, mantendo baixos limiares de percolação, continua sendo um foco crítico de pesquisa.

Os CNTs possuem propriedades elétricas notáveis, com condutividade intrínseca atingindo aproximadamente 10³ S/m. A incorporação de CNTs em matrizes poliméricas para criar materiais condutores tornou-se uma técnica amplamente utilizada, mostrando um tremendo potencial em aplicações que vão desde sensores e dispositivos vestíveis até polímeros com memória de forma, materiais autorregenerativos e dispositivos de armazenamento de energia.

O limiar de percolação elétrica (ϕc) representa a concentração crítica de CNTs onde a condutividade do compósito aumenta rapidamente devido à formação de uma rede condutora. Estudos teóricos sugerem que a alta relação de aspecto dos CNTs poderia permitir atingir ϕc em cargas extremamente baixas (tão baixas quanto 0,1% em peso). No entanto, desafios práticos, incluindo a alta viscosidade dos polímeros termoplásticos, fortes forças de van der Waals entre os CNTs e fraca adesão interfacial entre os CNTs e os polímeros, têm dificultado a obtenção de ϕc ideal em cargas mínimas.

Em compósitos de matriz termoplástica, ϕc normalmente fica entre 0,2 a 15% em peso de conteúdo de CNT. Estratégias comuns para reduzir ϕc incluem o aprimoramento da solubilidade/reatividade dos CNTs por meio de modificação e purificação da superfície, bem como o uso de compatibilizantes para melhorar a dispersão. A seleção do método de processamento também se mostra crucial para alcançar a distribuição ideal da carga.

Várias técnicas de processamento por fusão produziram com sucesso compósitos polímero/CNT bem dispersos, incluindo extrusoras de rosca dupla co-rotativas e misturadores intensivos. Abordagens menos convencionais, como a montagem de estrutura em camadas, oferecem vantagens por meio do posicionamento seletivo da carga e da dispersão aprimorada.

A montagem forçada por coextrusão multicamadas fornece uma rota de processamento por fusão contínua e flexível que cria estruturas em camadas por meio de estiramento, corte e empilhamento repetidos de fluxos de fusão com base na transformação de Baker. Tipicamente, duas fusões poliméricas separadas se juntam em um bloco de alimentação de coextrusão convencional para formar uma estrutura inicial de duas camadas, em seguida, fluem sequencialmente através de elementos multiplicadores de camadas (LMEs) que dividem e recombinam a fusão para aumentar gradualmente a contagem de camadas.

Este confinamento da camada polimérica demonstrou propriedades mecânicas, de barreira a gases, ópticas, dielétricas e de memória de forma aprimoradas. A espessura da camada depende principalmente da saída de cada componente e do número de camadas formadas. Relatórios de pesquisa indicam contagens máximas de camadas de 16.384 por meio de coextrusão multicamadas, com espessuras de camada variando de mícrons a nanômetros.

O estudo projetou e fabricou um dispositivo protótipo aplicando a transformação de Baker usando pequenos LMEs com canais de mistura DentIncx. Essa abordagem oferece requisitos de fabricação mais simples, mantendo a eficácia para processos de extrusão por fusão.

A pesquisa selecionou poliuretano termoplástico (TPU) de grau industrial por sua flexibilidade, resistência ao desgaste e estabilidade química. Nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) com alta pureza e distribuição uniforme de diâmetro garantiram propriedades elétricas ideais. Polipropilenoglicol (PPG) serviu como pré-dispersante de SWCNT, oferecendo boa compatibilidade e baixa viscosidade para facilitar a dispersão de CNT.

Os pesquisadores primeiro pré-dispersaram os SWCNTs em PPG por ultrassom para criar suspensões homogêneas. Em seguida, misturaram TPU com suspensões de SWCNT/PPG em proporções específicas usando extrusão de rosca dupla a 180-200°C com velocidades de rosca de 50-100 rpm. Misturadores estáticos instalados na saída da extrusora forneceram mistura e cisalhamento adicionais para melhorar a dispersão dos CNTs.

O processo alimentou compósitos de TPU/SWCNT fundidos e TPU puro separadamente em equipamentos de coextrusão multicamadas contendo um bloco de alimentação de coextrusão e vários LMEs. A estrutura inicial de duas camadas formada no bloco de alimentação passou por camadas repetidas, estiramento e recombinação por meio de LMEs, criando, em última análise, estruturas com centenas ou milhares de camadas. O ajuste das taxas de fluxo de fusão e das quantidades de LME permitiu o controle preciso sobre a espessura da camada.

A microscopia eletrônica de varredura (MEV) e a microscopia eletrônica de transmissão (MET) revelaram uma dispersão significativamente aprimorada de SWCNT em matrizes de TPU após mistura estática e coextrusão multicamadas, com aglomeração marcadamente reduzida. As observações de MET confirmaram ainda a distribuição e orientação uniformes dos SWCNTs dentro das camadas de TPU.

Os testes de tração demonstraram que os compósitos TPU/SWCNT exibiram maior resistência à tração e módulo elástico do que o TPU puro, embora com alongamento ligeiramente reduzido na ruptura. A coextrusão multicamadas produziu compósitos com propriedades mecânicas anisotrópicas, mostrando maior resistência à tração ao longo da direção de extrusão em comparação com as orientações perpendiculares.

As medições de sonda de quatro pontos revelaram um limiar de condutividade em 0,3% em peso de conteúdo de SWCNT, indicando a formação efetiva de uma rede condutora. A condutividade continuou aumentando com cargas mais altas de SWCNT. A coextrusão multicamadas produziu compósitos com condutividade significativamente maior do que as contrapartes misturadas por fusão convencionais, atribuída à dispersão e alinhamento superiores de SWCNT.

O estudo demonstra que a coextrusão multicamadas combinada com pré-dispersão de SWCNT e mistura estática aprimora efetivamente a condutividade do compósito TPU/SWCNT. A pré-dispersão reduz a energia superficial dos SWCNTs e as tendências de aglomeração, enquanto a mistura estática fornece homogeneização e cisalhamento completos da fusão. A coextrusão multicamadas otimiza a distribuição de SWCNT por meio de estruturas em camadas controladas, alcançando condutividade excepcional com baixo teor de CNT.

A anisotropia mecânica observada se correlaciona com a orientação dos SWCNTs dentro das camadas de TPU. Ao longo da direção de extrusão, os SWCNTs predominantemente alinhados aumentam a resistência à tração, enquanto orientações perpendiculares mais aleatórias mostram menor resistência.

Esta pesquisa empregou com sucesso a coextrusão multicamadas para produzir compósitos TPU/SWCNT de alto desempenho. Por meio da pré-dispersão de SWCNT, mistura estática e coextrusão multicamadas, o estudo alcançou excelente dispersão e alinhamento de SWCNT, produzindo condutividade superior com baixo teor de CNT, mantendo a flexibilidade.

As direções futuras de pesquisa incluem:

• Otimização dos parâmetros de coextrusão multicamadas para desempenho aprimorado do compósito
• Investigação dos efeitos de diferentes tipos de CNT nas propriedades do compósito
• Extensão da técnica para outros compósitos de matriz polimérica
• Exploração de aplicações em materiais inteligentes e compósitos biomédicos

A coextrusão multicamadas apresenta potencial significativo para o desenvolvimento avançado de compósitos poliméricos, prometendo atender às crescentes demandas por materiais multifuncionais e de alto desempenho em vários setores.