Производственные инновации для профессионалов

Исследователи рассматривают технологию фотоотверждения для 3D-печати оксида графена

Исследователи из Университета Конкордия, Монреаль, изучают возможности 3D-печати жидких кристаллов оксида графена для создания материалов с невиданными ранее уровнями прочности.

Графен - один из тех чудо-материалов, которые обещали решить целый ряд наших инженерных проблем. Листообразный аллотроп углерода состоит из одного слоя атомов, расположенных в двухмерной наноструктуре, напоминающей сотовую решетку. Этот материал известен своим высоким соотношением прочности и веса, отличной тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью и устойчивостью к царапинам.

К сожалению, мы еще не смогли перенести прочность графена из микромасштаба в реальные применения в макромасштабе.

Сейчас команда Concordia использует фотополимеризацию - технологию, лежащую в основе стереолитографической 3D-печати, - для получения самособирающихся структур оксида графена, которые и больше, и сложнее, чем сегодняшние возможности.

Большой лист оксида графена, полученный с помощью фотополимеризации - процесса, лежащего в основе стереолитографической 3D-печати. Фотография предоставлена Университетом Конкордия.

Графен - самый прочный из известных материалов

Андре Гейм и Константин Новоселов открыли графен в 2004 году и вскоре после этого, в 2010 году, получили за свою работу Нобелевскую премию по физике. При толщине всего в один атом, графен в миллион раз тоньше человеческого волоса, но имеет модуль Юнга 1ТПа и прочность на разрыв 130 ГПа. Это делает его самым прочным из известных на сегодняшний день материалов.

Хотя масштабирование графена все еще представляет собой огромную проблему, самосборка листов оксида графена в жидкие кристаллы является перспективным подходом к преодолению этого препятствия, поскольку эти жидкие кристаллы потенциально могут быть преобразованы в твердые макроскопические структуры.

На сегодняшний день процесс самосборки привел к созданию целого ряда макроскопических (хотя и тонких) структур, таких как бумага, волокна и аэрогели. Существует ряд методов получения этих структур, включая мокрое прядение, сублимационную сушку и вакуумную фильтрацию. Хотя эти методы позволяют сохранить упорядоченную структуру в жидкокристаллической фазе, они ограничены по толщине и сложности получаемых структур.

 Исследователи рассматривают технологию фотоотверждения для 3D-печати оксида графена

SEM-изображение различных листов оксида графена. Изображение получено в Университете Конкордия.

 

Метод фотополимеризации

В качестве альтернативы команда из Конкордии обратилась к фотополимеризации. Чтобы приготовить листы оксида графена, они сначала диспергировали графен в спирте и добавили к нему имеющийся в продаже фотоинициатор под названием бис(4-метилфенил) гексафторфосфат иодония. Это тот же фотоинициатор, который используется во многих современных смолах для 3D-печати.

Исследователи обнаружили, что они могут успешно отверждать полученную смесь в тонкие листы оксида графена, переводя его из жидкого состояния в твердое с помощью ультрафиолетового света. Таким образом, этот метод теперь считается совместимым с технологией 3D-печати.

Новая фотоотверждаемая бумага из оксида графена также произвела впечатление в серии испытаний на растяжение, продемонстрировав механические свойства, сравнимые со свойствами эталонной бумаги из оксида графена, которая была приготовлена с помощью обычной вакуумной фильтрации.

Авторы исследования пишут: "Мы демонстрируем возможность фотоотверждения жидких кристаллов оксида графена. Фотоотверждение жидких кристаллов оксида графена позволяет получить более толстые и, возможно, более сложные структуры, чем это возможно при использовании современных методов, таких как вакуумная фильтрация или wet spinning".

В дальнейшем команда Concordia хотела бы адаптировать этот подход к полномасштабной стереолитографической 3D-печати в надежде изготовить большие 3D-структуры из графена.

Более подробную информацию об исследовании можно найти в статье под названием "Фотоотверждение жидких кристаллов оксида графена для высокопрочных структурных материалов".

 

Аддитивное производство материалов на основе графена уже исследовалось ранее. Исследователи из китайского Харбинского технологического института недавно напечатали в 3D мягкого робота из оксида графена, способного двигаться вперед и назад под воздействием влаги. В проекте использовалась 3D-печать методом прямой чернильной записи (DIW) и методы ограниченной сушки, что позволило решить производственные проблемы, связанные с пористостью, усадкой и однородностью структуры.

В другом месте исследователи из Университета Карнеги-Меллона (CMU) и Университета Коннектикута (UConn) напечатали 3D-печатью новые кальций-фосфат-графеновые (CaPG) скаффолды, которые в будущем могут быть использованы для регенерации костей. Биопечатные структуры обладают рядом желаемых свойств, таких как остеоиндуктивность, биологическая безопасность, длительный срок хранения и приемлемая стоимость производства.

 

Поделиться

Заметили ошибку? Сообщите нам: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy andTerms of Service apply.