Università di Waterloo: nanocompositi cellulosici nella produzione additiva ed elettrospinning
Andrew Finkle ha recentemente presentato una tesi all’Università di Waterloo , esplorando il potenziale per materiali più efficaci. In ” Nanocompositi cellulosici per la produzione avanzata: un’esplorazione di materiali avanzati nella produzione di elettrospinning e additivi “, Finkle continua la tendenza nelle tecniche di raffinazione e negli additivi per prestazioni migliori.
Questo studio è incentrato sui nanocompositi polimerici; tuttavia, oggi ricercatori e produttori di tutto il mondo sono impegnati nella ricerca utilizzando additivi per creare anche altri materiali unici come idrogel compositi , PLA bronzo e SLS compositi , nella speranza di accentuare progetti specifici che potrebbero richiedere proprietà meccaniche o caratteristiche distinte correlate funzionalità.
Diagramma schematico della tipica tecnica di elettrospinning .
In termini di hardware e tecniche, Finkle esamina sia l’elettrospinning che la fabbricazione di filamenti fusi (FFF) per l’uso con nanocompositi termoplastici nella produzione di tappetini in fibra di elettrospun e parti stampate in 3D. I nuovi filamenti sviluppati in questo studio contengono rinforzi come la cellulosa nanocristallina (NCC), destinata a migliorare le proprietà meccaniche rispetto ai metodi tradizionali.
Morfologia tipica delle nanofibre di poliammide-6 electrospun osservate con microscopio elettronico a scansione [4].
Diagrammi schematici di modellazione a deposizione fusa (FDM) di materiali termoplastici dal brevetto “Apparato e metodo per la creazione di oggetti tridimensionali” di S. Crump che include una stampante 3D FDM i) e ii) testa di estrusione [8]
La cellulosa nanocristallina (NCC) è un derivato della pasta di legno e ha dimostrato il potenziale per l’uso come additivo per i compositi polimerici – e specificamente per questo studio, per accompagnare il policarbonato (PC) – un materiale che offre una vasta gamma di benefici, tra cui:
Resistenza al calore
Forza d’impatto
Rigidità
durezza
“Il tipico baffo NCC è dell’ordine di 10 nm per 200 nm composto da molte catene di beta-glucano di cellulosa strettamente legate tra loro per formare un materiale cristallino molto forte”, ha spiegato Finkle. “La forza teorica di NCC è nell’ordine 9 di acciaio inossidabile e nanotubi di carbonio, ma a differenza di questi rinforzi inorganici, è prodotta da fonti rinnovabili e biocompatibili.
“L’elevata resistenza rende questa nanoparticella un ottimo candidato per l’incorporazione in compositi e in particolare nanofibre elettrofilate.”
La morfologia della stuoia Electrospun si basava su quanto segue:
Diametro della fibra
Diametro del tallone
Densità del tallone
Diagramma schematico di un tipico apparecchio elettrospinning verticale.
Microfotografie SEM con elettrofilatura di nanofibre di PC al 15% in peso usando cloroformio. Le fibre i) e ii) erano elettrospun usando Vapp = 20 kV e iii) usando Vapp = 15 kV su una distanza di 15 cm.
“I parametri di formulazione scelti per esplorare all’interno dei DOE sono la concentrazione di polimero nella soluzione, la concentrazione di additivi (NCC). I parametri di elaborazione scelti per esplorare all’interno di ogni DOE includevano la tensione applicata, la tensione e la distanza del gap, la distanza del gap. Tra i DOE sono stati esplorati altri due parametri di formulazione “, ha spiegato Finkle.
“Questo includeva il solvente in cui la soluzione di policarbonato veniva prodotta in una miscela THF / DMF 60/40 (p / p) o cloroformio, entrambi buoni solventi per PC. La seconda variabile introdotta tra DOE con lo stesso solvente era il 2% in peso di NCC (o NCC modificato con DDSA, cNCC) nella massa solida (escluso il solvente). ”
Riepilogo di fattori, livelli e parametri di formulazione per ciascun DOE # 0 attraverso DOE # 5
Ordine standard di esperimenti per un 23 DOE fattoriale completo che include la notazione abbreviata del trattamento e livelli di fattori codificati; alto (1), centro (0) e basso (-1)
La progettazione di esperimenti (DOE) è stata studiata in termini di risposta ai diametri di fibra del modello in termini di:
Funzione della concentrazione di PC
Concentrazione NCC
Tensione applicata
Distanza tra gli spazi
Le misurazioni del punto centrale hanno valutato le curvature nel modello e sono state annotate le proprietà della soluzione.
DOE n. 1 fattoriale completo, inclusi i tre diversi fattori testati (codificati a, b e c) con i loro valori basso (-1), alto (+1) e punto centrale (0)
“Per la maggior parte della sperimentazione, ciò ha comportato: seguire un programma, spesso elettrospinning il più presto possibile dopo la preparazione del campione; minimizzare qualsiasi errore nella formulazione e miscelazione di soluzioni; raccolta ripetibile di tappetini in nanofibra, nonché raccolta, preparazione e imaging di campioni sperimentali “, ha concluso Finkle.
“Sebbene siano controllati nel miglior modo possibile, sono ancora apparse alcune anomalie. In particolare, i replicati del punto centrale di DOE # 4 – Cellulosa nanocristallina modificata con DDSA (cNCC) + cloroformio osservati nella Figura 4.30 mostrano una varianza significativa anche se le condizioni sperimentali erano identiche. Ciò dimostra che non solo è difficile controllare l’elettrospinning in solventi volatili come il cloroformio a temperatura ambiente, ma che tutte le possibili variabili dell’elettrospinning devono essere considerate attentamente per ottenere i risultati desiderati “.