意大利特伦托大学：新型3D打印聚合物复合材料，提高材料性能

颗粒在线讯：2022年6月，来自意大利特伦托大学的研究者们开发了一种新型的3D打印聚合物复合材料，该复合材料采用了无溶剂工艺进行制备，填充了石墨烯等材料。他们的研究已经发表在了《Nanomaterials》上，题目为《Three Dimensional Printing of Multiscale Carbon Fiber-Reinforced Polymer Composites Containing Graphene or Carbon Nanotubes》（《含有石墨烯或碳纳米管的多尺度碳纤维增强聚合物复合材料的三维打印》）

△包含石墨烯或碳纳米管的多尺度碳纤维增强聚合物复合材料的三维打印研究

3D打印聚合物复合材料

使用3D打印制造包含不同多尺度增强材料的热塑性复合材料一直是材料科学领域研究的重点。嵌入多尺度填料颗粒可以增强3D打印聚合物的性能，例如它们的机械性能、导电性和热稳定性。

该研究领域已在增材制造领域得到应用，可以通过扩展可打印的材料来改进熔丝制造FFF的产品性能。在过去的十年中，人们针对各种行业的新型聚合物材料的合成进行了深入研究。在当前研究中，研究人员评估了几种纳米级和微米级颗粒在增强聚合物性能方面的潜力。例如，碳基材料可以提高刚度、耐腐蚀性和减轻重量等。

△纯 ABS、ABS/MCF、ABS/MCF/CNT 和 ABS/MCF/GNP 复合材料的挤出长丝

在过去的几年中，研究人员还研究了研磨碳纤维之类的微填料和石墨烯纳米片以及碳纳米管之类的纳米填料，作为聚合物复合改性剂的性能。研究表明，包含导电纳米粒子的纳米复合材料在 3D 打印设备（如微型电池、电子传感器和微电路）中具有巨大的应用前景。

研究表明，使用熔融沉积制造的聚合物复合材料具有增强的韧性、增加的杨氏模量、拉伸强度、弹性模量和许多其他优异特性。例如，多壁碳纳米管能使得电阻变化和浓度之间具有直接相关性，在降低负载时响应增强。不同聚合物复合材料中特定浓度的碳纳米管可以增加导电性。包含分散石墨烯纳米片的ABS复合材料具有高的热稳定性和弹性模量，但降低了断裂应变和应力。此外，石墨烯纳米粒子改性的聚丙烯具有高的界面剪切强度。

研究

研究人员采用了一种新的无溶剂工艺来生产多尺度复合长丝。研究了不同比例的碳基增强材料加入ABS 聚合物基体中的性能。（研磨碳纤维、碳纳米管和石墨烯纳米片）。

△哑铃型和平行六面体试样（80 mm × 10 mm × 3.8 mm）

研究结果

●研究结果表明，碳纳米管和石墨烯纳米片填料提高了复合材料的模量和强度，但研磨碳纤维的添加降低了其断裂应变值。纳米填料还提高了复合材料的导电性，其中，碳纳米管的导电增强性能最强。

●最终的样品密度和性能受生产过程的影响很大。由于3D打印过程会产生空隙，样品的延展性损失高达65%。这种延展性在每种复合材料中都是不同的。所有具有碳纳米管的复合材料都具有低电阻率。

●作者提出了比较参数和选择性参数来评估最佳组合物。基于可加工性和性能评估组合物，以阐明它们对传感器和热电设备等应用的适用性。

△CM和3D打印样品在不同 MCF 和CNT含量中的电阻率

总结

1. 本研究的新颖之处在于通过无溶剂工艺，对基于微纤维（MCFs）和纳米填料（CNTs或GNPs）的不同比例的多尺度碳质ABS复合材料进行了适当的复合、加工和表征。

2. 压缩成型的ABS复合材料样品的机械性能（模量和强度）因添加微填料（CNTs和GNPs）而提高，断裂应变值因添加微填料（MCFs）而降低。与纯ABS和微型复合材料相比，纳米填料的导电性能得到了改善，CNT填料达到了最佳性能。

3. 多尺度ABS/MCF/GNP复合材料对压缩成型样品的机械性能有良好的影响。反之，ABS/CNTs在导电性方面得到了明显的改善。生产加工过程会极大地影响了样品的密度，从而影响了它们的机械、电气和热性能。特别是，如果与CM试样相比，由于空隙的存在，3D打印的样品呈现出急剧的延展性损失（在33-65%的范围内），即使对于某些成分的导电性能可以保持。

总体而言，该论文展示了一种具有潜在优势的多尺度聚合物复合材料生产工艺，证明其将有利于多个行业，例如传感器和热电设备。

全文链接：https://doi.org/10.3390/nano12122064