ब्लॉग के बारे में मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न टीपीयूएसडब्ल्यूसीएनटी कंपोजिट चालकता को बढ़ाता है

इलेक्ट्रॉनिक त्वचा और लचीले सेंसर जैसे उभरते क्षेत्रों में हल्के, अत्यधिक प्रवाहकीय बहुलक कंपोजिट की बढ़ती मांग ने शोधकर्ताओं को नवीन समाधानों का पता लगाने के लिए प्रेरित किया है। कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी), अपनी असाधारण चालकता, उच्च पहलू अनुपात और हल्के गुणों के साथ, बहुलक-आधारित कंपोजिट के लिए आदर्श भराव के रूप में उभरे हैं। हालांकि, कम पेर्कोलेशन थ्रेसहोल्ड को बनाए रखते हुए बहुलक मैट्रिक्स में समान सीएनटी फैलाव को प्राप्त करने की चुनौती एक महत्वपूर्ण शोध फोकस बनी हुई है।

सीएनटी उल्लेखनीय विद्युत गुण रखते हैं, जिनकी आंतरिक चालकता लगभग 10³ S/m तक पहुंचती है। प्रवाहकीय सामग्री बनाने के लिए बहुलक मैट्रिक्स में सीएनटी को शामिल करना एक व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक बन गई है, जो सेंसर और पहनने योग्य उपकरणों से लेकर आकार-स्मृति बहुलक, स्व-उपचार सामग्री और ऊर्जा भंडारण उपकरणों तक अनुप्रयोगों में जबरदस्त क्षमता दिखाती है।

विद्युत पेर्कोलेशन थ्रेसहोल्ड (ϕc) महत्वपूर्ण सीएनटी सांद्रता का प्रतिनिधित्व करता है जहां प्रवाहकीय नेटवर्क निर्माण के कारण समग्र चालकता तेजी से बढ़ जाती है। सैद्धांतिक अध्ययन बताते हैं कि सीएनटी का उच्च पहलू अनुपात अत्यंत कम लोडिंग (0.1 wt.% जितना कम) पर ϕc प्राप्त करने में सक्षम हो सकता है। हालांकि, थर्मोप्लास्टिक बहुलक की उच्च चिपचिपाहट, सीएनटी के बीच मजबूत वैन डेर वाल्स बल और सीएनटी और बहुलक के बीच कमजोर इंटरफेशियल आसंजन सहित व्यावहारिक चुनौतियों ने न्यूनतम लोडिंग पर आदर्श ϕc प्राप्त करने में बाधा डाली है।

थर्मोप्लास्टिक मैट्रिक्स कंपोजिट में, ϕc आमतौर पर 0.2 से 15 wt.% सीएनटी सामग्री के बीच होता है। ϕc को कम करने की सामान्य रणनीतियों में सतह संशोधन और शुद्धिकरण के माध्यम से सीएनटी घुलनशीलता/प्रतिक्रियाशीलता को बढ़ाना, साथ ही फैलाव में सुधार के लिए संगतकों का उपयोग करना शामिल है। इष्टतम भराव वितरण प्राप्त करने के लिए प्रसंस्करण विधि का चयन भी महत्वपूर्ण साबित होता है।

विभिन्न पिघल-प्रसंस्करण तकनीकों ने अच्छी तरह से फैले हुए बहुलक/सीएनटी कंपोजिट का सफलतापूर्वक उत्पादन किया है, जिसमें सह-घूर्णन जुड़वां-पेंच एक्सट्रूडर और गहन मिक्सर शामिल हैं। लेयर्ड संरचना असेंबली जैसे कम पारंपरिक दृष्टिकोण चयनात्मक भराव स्थिति और बेहतर फैलाव के माध्यम से लाभ प्रदान करते हैं।

फोर्स्ड असेंबली मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न एक सतत, लचीला पिघल-प्रसंस्करण मार्ग प्रदान करता है जो बेकर के परिवर्तन के आधार पर पिघल प्रवाह के बार-बार खिंचाव, काटने और स्टैकिंग के माध्यम से लेयर्ड संरचनाएं बनाता है। आमतौर पर, दो अलग-अलग बहुलक पिघल एक पारंपरिक कोएक्सट्रूज़न फीडब्लॉक में एक प्रारंभिक बाइलेयर संरचना बनाने के लिए जुड़ते हैं, फिर लेयर-मल्टीप्लाइंग तत्वों (एलएमई) के माध्यम से क्रमिक रूप से प्रवाहित होते हैं जो पिघल को विभाजित करते हैं और परत गणना को धीरे-धीरे बढ़ाने के लिए पुन: संयोजित करते हैं।

इस बहुलक परत के परिरोध ने बेहतर यांत्रिक, गैस अवरोध, ऑप्टिकल, डाइइलेक्ट्रिक और आकार-स्मृति गुणों का प्रदर्शन किया है। परत की मोटाई मुख्य रूप से प्रत्येक घटक के आउटपुट और निर्मित परतों की संख्या पर निर्भर करती है। शोध रिपोर्ट मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न के माध्यम से 16,384 की अधिकतम परत गणना का संकेत देती है, जिसमें परत की मोटाई माइक्रोन से लेकर नैनोमीटर तक होती है।

अध्ययन ने डेंटइंकक्स मिक्सिंग चैनलों के साथ छोटे एलएमई का उपयोग करके बेकर के परिवर्तन को लागू करने वाला एक प्रोटोटाइप डिवाइस डिजाइन और निर्मित किया। यह दृष्टिकोण पिघल एक्सट्रूज़न प्रक्रियाओं के लिए प्रभावशीलता बनाए रखते हुए सरल विनिर्माण आवश्यकताओं की पेशकश करता है।

अनुसंधान ने लचीलेपन, पहनने के प्रतिरोध और रासायनिक स्थिरता के लिए औद्योगिक-ग्रेड थर्मोप्लास्टिक पॉलीयूरेथेन (टीपीयू) का चयन किया। उच्च शुद्धता और समान व्यास वितरण वाले सिंगल-वॉल कार्बन नैनोट्यूब (एसडब्ल्यूसीएनटी) ने इष्टतम विद्युत गुणों को सुनिश्चित किया। पॉलीप्रोपाइलीन ग्लाइकोल (पीपीजी) ने एसडब्ल्यूसीएनटी प्री-डिस्पर्सेंट के रूप में कार्य किया, जो सीएनटी फैलाव को सुविधाजनक बनाने के लिए अच्छी संगतता और कम चिपचिपाहट प्रदान करता है।

शोधकर्ताओं ने पहले अल्ट्रासोनिकेशन के माध्यम से पीजीजी में एसडब्ल्यूसीएनटी को पूर्व-विघटित किया ताकि सजातीय निलंबन बनाया जा सके। फिर उन्होंने 180-200°C पर 50-100 आरपीएम की पेंच गति के साथ जुड़वां-पेंच एक्सट्रूज़न का उपयोग करके विशिष्ट अनुपात में टीपीयू को एसडब्ल्यूसीएनटी/पीपीजी निलंबन के साथ मिलाया। एक्सट्रूडर निकास पर स्थापित स्टेटिक मिक्सर ने सीएनटी फैलाव को बढ़ाने के लिए अतिरिक्त मिश्रण और कतरनी प्रदान की।

प्रक्रिया ने पिघले हुए टीपीयू/एसडब्ल्यूसीएनटी कंपोजिट और शुद्ध टीपीयू को अलग-अलग मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न उपकरण में खिलाया जिसमें एक कोएक्सट्रूज़न फीडब्लॉक और कई एलएमई शामिल थे। फीडब्लॉक में बनी प्रारंभिक बाइलेयर संरचना एलएमई के माध्यम से बार-बार लेयरिंग, स्ट्रेचिंग और पुनर्संयोजन से गुजरी, अंततः सैकड़ों या हजारों परतों वाली संरचनाएं बनाई गईं। पिघल प्रवाह दरों और एलएमई मात्रा को समायोजित करने से परत की मोटाई पर सटीक नियंत्रण सक्षम हुआ।

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) ने स्टेटिक मिक्सिंग और मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न के बाद टीपीयू मैट्रिक्स में एसडब्ल्यूसीएनटी के महत्वपूर्ण रूप से बेहतर फैलाव का खुलासा किया, जिसमें संचय में उल्लेखनीय कमी आई। टीईएम अवलोकनों ने टीपीयू परतों के भीतर समान एसडब्ल्यूसीएनटी वितरण और अभिविन्यास की पुष्टि की।

तन्य परीक्षण से पता चला कि टीपीयू/एसडब्ल्यूसीएनटी कंपोजिट ने शुद्ध टीपीयू की तुलना में उच्च तन्य शक्ति और लोचदार मापांक प्रदर्शित किया, हालांकि ब्रेक पर थोड़ा कम बढ़ाव के साथ। मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न ने अनिसोट्रोपिक यांत्रिक गुणों वाले कंपोजिट का उत्पादन किया, जो लंबवत अभिविन्यासों की तुलना में एक्सट्रूज़न दिशा के साथ उच्च तन्य शक्ति दिखाते हैं।

फोर-पॉइंट जांच माप ने 0.3 wt.% एसडब्ल्यूसीएनटी सामग्री पर एक चालकता सीमा का खुलासा किया, जो प्रभावी प्रवाहकीय नेटवर्क निर्माण का संकेत देता है। उच्च एसडब्ल्यूसीएनटी लोडिंग के साथ चालकता बढ़ती रही। मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न ने पारंपरिक पिघल-मिश्रित समकक्षों की तुलना में महत्वपूर्ण रूप से उच्च चालकता वाले कंपोजिट का उत्पादन किया, जो बेहतर एसडब्ल्यूसीएनटी फैलाव और संरेखण के लिए जिम्मेदार है।

अध्ययन से पता चलता है कि मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न को एसडब्ल्यूसीएनटी प्री-डिस्पर्सियन और स्टेटिक मिक्सिंग के साथ मिलाकर टीपीयू/एसडब्ल्यूसीएनटी समग्र चालकता को प्रभावी ढंग से बढ़ाता है। प्री-डिस्पर्सियन एसडब्ल्यूसीएनटी सतह ऊर्जा और संचय प्रवृत्तियों को कम करता है, जबकि स्टेटिक मिक्सिंग पूरी तरह से पिघल होमोजेनाइजेशन और कतरनी प्रदान करता है। मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न नियंत्रित लेयर्ड संरचनाओं के माध्यम से एसडब्ल्यूसीएनटी वितरण को अनुकूलित करता है, जो कम सीएनटी सामग्री पर असाधारण चालकता प्राप्त करता है।

देखे गए यांत्रिक अनिसोट्रॉपी टीपीयू परतों के भीतर एसडब्ल्यूसीएनटी अभिविन्यास से संबंधित है। एक्सट्रूज़न दिशा के साथ, मुख्य रूप से संरेखित एसडब्ल्यूसीएनटी तन्य शक्ति बढ़ाते हैं, जबकि अधिक यादृच्छिक लंबवत अभिविन्यास कम शक्ति दिखाते हैं।

इस शोध ने उच्च-प्रदर्शन टीपीयू/एसडब्ल्यूसीएनटी कंपोजिट का उत्पादन करने के लिए मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न का सफलतापूर्वक उपयोग किया। एसडब्ल्यूसीएनटी प्री-डिस्पर्सियन, स्टेटिक मिक्सिंग और मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न के माध्यम से, अध्ययन ने उत्कृष्ट एसडब्ल्यूसीएनटी फैलाव और संरेखण प्राप्त किया, जिससे कम सीएनटी सामग्री पर बेहतर चालकता प्राप्त हुई, जबकि लचीलापन बना रहा।

भविष्य के शोध दिशाओं में शामिल हैं:

• बेहतर समग्र प्रदर्शन के लिए मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न मापदंडों का अनुकूलन
• समग्र गुणों पर विभिन्न सीएनटी प्रकारों के प्रभावों की जांच करना
• तकनीक का विस्तार अन्य बहुलक मैट्रिक्स कंपोजिट तक करना
• स्मार्ट सामग्री और बायोमेडिकल कंपोजिट में अनुप्रयोगों का पता लगाना

मल्टीलेयर कोएक्सट्रूज़न उन्नत बहुलक समग्र विकास के लिए महत्वपूर्ण क्षमता प्रस्तुत करता है, जो विभिन्न उद्योगों में उच्च-प्रदर्शन, बहुआयामी सामग्री की बढ़ती मांगों को पूरा करने का वादा करता है।