Nanocompositi: stampa 3D SLA con elastomeri di ossido di grafene
Nei ” nanocompositi polimerici flessibili modificati con GO fabbricati tramite stereolitografia 3D “, gli autori CHA Tsang, Adilet Zhakeyev, Dennis YC Leung e Jin Xuan stanno esplorando le sfide per la creazione di materiali più resistenti nella stampa SLA 3D. Mentre oggi l’ossido di grafene e altri metalli sono spesso utilizzati nei processi di produzione additiva, per questo studio sono stati integrati per la prima volta nelle resine fotopolimeriche.
I compositi continuano a crescere in popolarità, fornendo materiali che aumentano la spinta e che possono consentire a un ricercatore o un utente di qualsiasi livello di creare parti o prototipi di successo. I “materiali estranei” come aggiunta possono migliorare le proprietà, con l’ossido di grafene che consente una migliore resistenza meccanica e un’impressionante conduttività.
Gli elastomeri, le materie plastiche che presentano un comportamento viscoelastico, comprendono una vasta gamma di sostanze chimiche, tra cui:
Polivinilidene fluoruro (PVDF)
poliuretani
Gomma stirene-butadiene
Lattice di gomma naturale
Gomma naturale
L’elastomero di ossido di grafene (GO) è stato sviluppato in varie ricerche negli ultimi anni, combinato attraverso:
Miscelazione a fusione
Legatura soluzione / lattice
Polimerizzazione in situ
Elaborazione del film
Gli elastomeri modificati hanno dimostrato proprietà meccaniche superiori rispetto agli elastomeri puri, ma sorgono difficoltà nel crearli a causa di un “complicato processo di sintesi”. La stampa 3D ha cambiato questo, ma come spiegano gli autori, ci sono ancora grandi progressi da fare per quanto riguarda l’ottimizzazione.
“Esistono alcuni rapporti che descrivono in dettaglio il matrimonio tra i rivestimenti GO e gli elastomeri stampati in 3D, dando vita ad un’applicazione pratica”, affermano i ricercatori. “Tuttavia, nessuno di questi prevede la stampa 3D diretta di compositi GO / elastomeri commerciali”.
C’è ancora una curva di apprendimento per la maggior parte dei team di ricerca: è necessario scegliere un solvente adatto per la dispersione GO. Potrebbero essere necessari pretrattamenti per la resina. Inoltre, sono necessari maggiori rapporti sulla stampa 3D con tali compositi nello SLA.
Per questo studio, è stato utilizzato l’approccio SLA bottom-up e, una volta asciugate le parti, sono state polimerizzate con l’illuminazione UV. Successivamente, i ricercatori hanno terminato i campioni con la lucidatura.
“Per confronto, sono state anche preparate due strutture 3D in resina pura, una delle quali non contiene GO e nessuna fase di pre-trattamento, mentre un’altra non contiene GO ma è stata ulteriormente trattata con cloroformio con le fasi simili all’elaborazione della miscela GO / resina come di cui sopra “, ha spiegato gli autori.
“La sollecitazione di trazione è stata calcolata come la forza misurata normalizzata nell’area della sezione trasversale del campione, mentre la deformazione applicata è stata misurata come spostamento normalizzato alla lunghezza del misuratore del campione. Il modulo di Young è stato calcolato come la pendenza della curva normalizzata tensione-deformazione usando la regressione lineare della regione lineare della curva. “
Mentre i blocchi stampati in 3D sono stati creati con resine flessibili semitrasparenti con diverso contenuto GO, i nanocompositi polimerici flessibili stampati con SLA GOmodified sono cambiati in un colore verde scuro quando la resina è stata combinata con GO grezzo.
“Nonostante l’incorporazione di successo di GO, sia la resistenza meccanica che la rigidità (Modulo di Young), nonché l’allungamento del polimero risultante sono diminuiti con l’aggiunta di GO. Le proprietà termiche sono state inoltre influenzate negativamente dall’aumento del contenuto GO basato sui risultati DSC e TGA “, hanno concluso i ricercatori. “È stato proposto che la dispersione non uniforme di GO all’interno della resina SLA, causando un grande agglomerato di GO all’interno dei compositi stampati in 3D, può cambiare significativamente le proprietà meccaniche e termiche dei nanocompositi risultanti.”
“Ulteriori ricerche approfondite su approcci efficaci per ottenere dispersioni di GO uniformi nelle resine SLA, nonché il trattamento di ricottura dei nanocompositi GO / elastomero per miglioramenti meccanici e termici sono stati proposti per lo sviluppo futuro di elastomeri nanocompositi stampati in 3D.”
Immagine digitale della struttura 3D da polimero puro e nanocomposito flessibile GO / Formlabs con diverse concentrazioni GO: (a) 0 wt-% GO; (b) 0% in peso di GO dopo l’evaporazione di CH3Cl; (c) 0,1% in peso di GO; (d) 0,2% in peso di GO; (e) 0,3% in peso di GO. Immagine TEM di 0,1% in peso di gel crudo GO / MA (barra della scala: (a) 0,5 µm, (b) 0,2 µm, (c) 100 nm e (d) 1 µm). 
(a) e (b) immagini TEM di GO grezzo disperse in cloroformio con ingrandimento diverso; (c, d) corrispondenti immagini SEM (barra di scala: (a) 0,2 µm, (b) 100 nm, (c) 10 µm, (d) 1 µm).