会社のニュース 多層共押出成形はTPU-SWCNT複合材料の導電性を向上させる

電子皮膚やフレキシブルセンサーなどの新興分野における軽量で高導電性のポリマー複合材料に対する需要の高まりは、研究者を革新的な解決策の探求へと駆り立てています。優れた導電性、高いアスペクト比、軽量特性を持つカーボンナノチューブ（CNT）は、ポリマーベースの複合材料に理想的なフィラーとして登場しました。しかし、ポリマーマトリックス内でのCNTの均一な分散を達成しつつ、低いパーコレーション閾値を維持するという課題は、依然として重要な研究課題です。

CNTは、約10³ S/mに達する固有の導電性という顕著な電気的特性を持っています。CNTをポリマーマトリックスに組み込んで導電性材料を作成することは、センサーやウェアラブルデバイスから形状記憶ポリマー、自己修復材料、エネルギー貯蔵デバイスに至るまで、幅広い用途で大きな可能性を示し、広く利用されている技術となっています。

電気的パーコレーション閾値（ϕc）は、導電性ネットワークの形成により複合材料の導電性が急速に増加する臨界CNT濃度を表します。理論的研究では、CNTの高いアスペクト比により、非常に低い添加量（0.1 wt.%程度）でϕcを達成できることが示唆されています。しかし、熱可塑性ポリマーの高粘度、CNT間の強いファンデルワールス力、CNTとポリマー間の弱い界面接着などの現実的な課題が、最小限の添加量で理想的なϕcを達成することを妨げています。

熱可塑性マトリックス複合材料では、ϕcは通常、CNT含有量0.2～15 wt.%の間にあります。ϕcを低減するための一般的な戦略には、表面修飾と精製によるCNTの溶解性/反応性の向上、および分散性を向上させるための相溶化剤の使用が含まれます。最適なフィラー分布を達成するためには、加工方法の選択も重要であることが証明されています。

さまざまな溶融加工技術が、共回転二軸押出機やインテンシブミキサーなど、十分に分散したポリマー/CNT複合材料の製造に成功しています。層状構造アセンブリのような、あまり一般的でないアプローチは、選択的なフィラー配置と分散性の向上を通じて利点を提供します。

強制アセンブリ多層共押出は、ベーカーの変換に基づいて溶融流の繰り返し的な延伸、切断、および積層を通じて層状構造を作成する、連続的で柔軟な溶融加工ルートを提供します。通常、2つの別々のポリマー溶融物が従来の共押出フィードブロック内で結合して初期の二層構造を形成し、その後、層増殖要素（LME）を介して連続的に流れ、溶融物を分割して再結合し、層数を徐々に増加させます。

このポリマー層の閉じ込めは、機械的特性、ガスバリア性、光学的特性、誘電特性、および形状記憶特性の向上を示しています。層の厚さは、主に各コンポーネントの出力と形成される層の数に依存します。研究報告によると、多層共押出による最大層数は16,384であり、層の厚さはミクロンからナノメートルに及んでいます。

この研究では、DentIncx混合チャネルを備えた小型LMEを使用してベーカーの変換を適用するプロトタイプデバイスを設計および製造しました。このアプローチは、溶融押出プロセスに効果を維持しながら、よりシンプルな製造要件を提供します。

この研究では、柔軟性、耐摩耗性、および化学的安定性のために工業グレードの熱可塑性ポリウレタン（TPU）を選択しました。高純度で均一な直径分布を持つ単層カーボンナノチューブ（SWCNT）は、最適な電気的特性を保証しました。ポリプロピレングリコール（PPG）は、CNT分散を促進するために、良好な適合性と低粘度を提供するSWCNTの予備分散剤として機能しました。

研究者は最初に、超音波処理によってSWCNTをPPGに予備分散させ、均質な懸濁液を作成しました。次に、180～200℃で50～100 rpmのスクリュー速度で二軸押出を使用して、TPUを特定の比率でSWCNT/PPG懸濁液と混合しました。押出機の出口に設置されたスタティックミキサーは、CNT分散を強化するために追加の混合とせん断を提供しました。

このプロセスでは、溶融TPU/SWCNT複合材料と純粋なTPUを、共押出フィードブロックと複数のLMEを含む多層共押出装置に別々に供給しました。フィードブロック内で形成された初期の二層構造は、LMEを介して繰り返し積層、延伸、および再結合され、最終的に数百または数千の層を持つ構造が作成されました。溶融流量とLMEの量を調整することで、層の厚さを正確に制御できました。

走査型電子顕微鏡（SEM）と透過型電子顕微鏡（TEM）により、スタティックミキシングと多層共押出後、TPUマトリックス内でのSWCNTの分散が大幅に改善され、凝集が著しく減少することが明らかになりました。TEM観察により、TPU層内での均一なSWCNT分布と配向がさらに確認されました。

引張試験により、TPU/SWCNT複合材料は純粋なTPUよりも高い引張強度と弾性率を示しましたが、破断時の伸びはわずかに減少しました。多層共押出により、異方性の機械的特性を持つ複合材料が生成され、押出方向に対して垂直な配向と比較して、押出方向に沿って高い引張強度を示しました。

四探針測定により、0.3 wt.%のSWCNT含有量で導電性閾値が明らかになり、効果的な導電性ネットワークの形成が示されました。SWCNTの添加量が増加するにつれて、導電性は増加し続けました。多層共押出により、従来の溶融混合材料よりも著しく高い導電性を持つ複合材料が生成され、これは優れたSWCNT分散と配向に起因すると考えられます。

この研究は、多層共押出をSWCNTの予備分散とスタティックミキシングと組み合わせることで、TPU/SWCNT複合材料の導電性が効果的に向上することを示しています。予備分散はSWCNTの表面エネルギーと凝集傾向を低減し、スタティックミキシングは徹底的な溶融均質化とせん断を提供します。多層共押出は、制御された層状構造を通じてSWCNTの分布を最適化し、低いCNT含有量で優れた導電性を達成します。

観察された機械的異方性は、TPU層内のSWCNTの配向と相関しています。押出方向に沿って、主に配向されたSWCNTは引張強度を増加させ、よりランダムな垂直方向はより低い強度を示します。

この研究では、多層共押出を使用して高性能TPU/SWCNT複合材料の製造に成功しました。SWCNTの予備分散、スタティックミキシング、および多層共押出を通じて、この研究は優れたSWCNT分散と配向を達成し、低いCNT含有量で優れた導電性を実現しつつ、柔軟性を維持しました。

今後の研究の方向性には以下が含まれます。

• 複合材料の性能を向上させるための多層共押出パラメータの最適化
• 複合材料の特性に対するさまざまなCNTタイプの効果の調査
• 他のポリマーマトリックス複合材料への技術の拡張
• スマートマテリアルおよび生体医用複合材料への応用を探求

多層共押出は、高度なポリマー複合材料の開発に大きな可能性を示し、さまざまな業界で高性能で多機能な材料に対する高まる需要に応えることを約束します。