Los nanocompuestos de estereolitografía muestran resultados alentadores
La estereolitografía (SL) utiliza resina curable UV como materia prima para fabricar objetos grandes y delicados. Sin embargo, el bajo rendimiento de esta resina limita la aplicabilidad práctica de SL.
Estudiar: Resina impresa en 3D complementada con nanofibras de carbono de curado dual: implicaciones para mejorar la rigidez y la resistencia al calor. Haber de imagen: MarinaGrigorivna/Shutterstock.com
En un artículo reciente publicado en la revista Nanomateriales aplicados por ACSLos investigadores prepararon nanocompuestos de resina SL impresos tridimensionales (3D) de curado dual complementados con nanofibras de carbono cultivadas en fase de vapor (SLR/VGCF) para mejorar el rendimiento general de las piezas impresas y evitar un curado desigual.
Los nanocompuestos de curado dual suplementados con 1 % en peso (p/p) de VGCF tenían una resistencia a la tracción de 63,5 megapascales y un módulo de Young de 3,2 gigapascales. La prueba de nanoindentación confirmó que el método de doble curado logró la homogeneidad de los nanocompuestos. Los nanocompuestos preparados tenían excelentes propiedades térmicas, lo que indica su estabilidad en un entorno de alta temperatura. La conductividad térmica de los nanocompuestos agregados con 2 % p/p de VGCF aumentó en un 79 %.
Métodos de poscurado en tecnología de impresión 3D
La impresión 3D es una tecnología de fabricación innovadora y avanzada para fabricar objetos estereoscópicos personalizados con arquitecturas sofisticadas. SL es una técnica de impresión 3D que implica un proceso de polimerización en cuba. Se utiliza para generar estructuras versátiles debido a su desmesurada calidad superficial y alta resolución.
La tecnología SL utiliza SLR de curado UV como materia prima. Dans le processus d’impression, la vitesse de balayage rapide de la lumière laser empêche la conversion complète des fractions insaturées du SLR, formant des objets imprimés aux propriétés mécaniques privées, ce qui limite l’application de l’impression 3D SL au niveau du despacho.
El poscurado asistido por ultravioleta (UV) después del proceso de impresión puede superar las limitaciones anteriores. Este proceso de endurecimiento aumenta la tasa de conversión de fracciones insaturadas en el SLR y mejora las propiedades mecánicas. Sin embargo, debido a la mala absorción de la luz UV por SLR, la profundidad de penetración de la luz UV es limitada, lo que limita el poscurado UV en las partes interiores del objeto. Además, el SLR no transparente reduce aún más la eficacia del poscurado UV debido a los rellenos coloreados en el SLR.
Con este fin, la integración de la radiación UV en el proceso de impresión seguida de un tratamiento térmico puede superar los desafíos del poscurado UV. El poscurado térmico tiene más ventajas que el poscurado UV porque el antiguo proceso de poscurado no tiene limitaciones en cuanto a la geometría del objeto y puede facilitar el curado completo de las partes interiores del objeto.
El refuerzo de polímeros con nanorrellenos es una estrategia innovadora que proporciona propiedades notables y mejora la aplicabilidad práctica de los polímeros. Los VGCF son nanorrellenos que presentan propiedades superiores, como conductividades térmica y eléctrica elevadas, cuando se refuerzan en matrices de polímeros.
Resina impresa en 3D complementada con VGCF de curado dual
En el presente estudio, los investigadores prepararon una SLR de polimerización dual a través de un método eficiente y fácil de incorporar un iniciador térmico (TI) adecuado y comparar su eficacia con la SLR de poscurado UV convencional. Los VGCF se han acidificado para aumentar los grupos funcionales en su superficie, mejorando así su compatibilidad interfacial con la matriz polimérica.
Los VGCF acidificados inmovilizados con grupos carboxilo se prepararon y caracterizaron mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FTIR). Los nanocompuestos basados en VGCF se fabricaron con una impresora 3D SL de escritorio, seguidos de tratamientos de poscurado térmicos o UV para obtener SLR-TI/VGCF y SLR/VGCF, respectivamente. Los espectros FTIR de VGCF acidificados revelaron picos característicos a 3440 y 1730 centímetros inversos, lo que corrobora las vibraciones de estiramiento de hidroxilo (OH) y carbonilo (C=O) del grupo ácido carboxílico.
Además, los espectros XPS mostraron picos de oxígeno(O)1s en alrededor de 533 y 976 electronvoltios, lo que confirma la acidificación de los VGCF. La intensidad del pico de carbono (C)1s alrededor de 285 electronvoltios disminuyó ligeramente en comparación con los VGCF prístinos, lo que sugiere la oxidación de los grupos funcionales superficiales de VGCF acidificados. Además, un espectro XPS de alta resolución mostró nuevos picos a energías de enlace de 287 y 288,6 electronvoltios, correspondientes a los grupos CO y C=O.
Se analizaron las propiedades mecánicas y térmicas de los nanocompuestos basados en VGCF fabricados y curados. Los resultados revelaron que los VGCF mejoraron efectivamente las propiedades mecánicas de SLR-TI después del tratamiento térmico. Además, la resina pura de curado posterior al calor y sus nanocompuestos resistieron 700 veces su peso durante 1 hora a 180 grados centígrados sin dañarse.
Conclusión
En resumen, los investigadores imprimieron en 3D nanocompuestos SLR-TI/VGCF y los caracterizaron. El tratamiento térmico como método de poscurado indujo mejores propiedades mecánicas y homogeneidad en los nanocompuestos que el poscurado asistido por UV. Los VGCF acidificados mejoraron la rigidez de SLR-TI y aumentaron el módulo y la resistencia a la tracción.
El análisis mecánico dinámico (DMA) mostró que el tratamiento térmico de los nanocompuestos SLR-TI/VGCF mejoró la temperatura de transición vítrea (Tgramo), lo que resulta en un cambio a temperaturas más altas después del poscurado mediado por calor. Los resultados de la temperatura de distorsión por calor (HDT) confirmaron que los nanocompuestos fabricados sujetos a un poscurado mediado por calor se pueden aplicar de manera confiable en entornos de alta temperatura.
SLR-TI con 2 % p/p de VGCF tuvo una conductividad térmica más alta (79 %) que SLR puro. El presente trabajo discutió una solución versátil para realizar la impresión 3D SL y fabricar objetos nanocompuestos de alto rendimiento, ampliando la aplicabilidad práctica de la impresión 3D SL.
Referencia
Li, Y., Kankala, RK., Weng, Z y Wu, L. (2022). Resina impresa en 3D complementada con nanofibras de carbono de curado dual: implicaciones para mejorar la rigidez y la resistencia al calor. Nano materiales aplicados por ACS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.2c01774
