Ενίσχυση φωτοπολυμερών με νανοδομημένα υλικά άνθρακα. Αγώγιμα νανοσύνθετα υλικά για τρισδιάστατη εκτύπωση
Authors: Λογγίνος Παναγιώτης 
Published: September 2021

Ο πολυμερισμός με τη χρήση ακτινοβολίας είναι μια φωτοχημική μέθοδος παρασκευής πολυμερών. Η έναρξη του πολυμερισμού γίνεται με την έκθεση του φωτοευαίσθητου ολιγομερούς σε υπεριώδη, συνήθως, ακτινοβολία, έχοντας ως πλεονεκτήματα την ολοκλήρωση του φωτοπολυμερισμού σε πολύ χαμηλούς χρόνους, απουσία διαλύτη και σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Δεν έχει επικρατήσει έναντι των θερμικά ενεργοποιούμενων μεθόδων καθώς είναι μια τεχνική η οποία βασίζεται στη διαπερατότητα της ακτινοβολίας και η οποία εξαρτάται σημαντικά από το πάχος του υλικού.Ο φωτοπολυμερισμός δεν είναι μια καινούρια μέθοδος κατασκευής πολυμερών, ωστόσο τις τελευταίες δεκαετίες έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας με τη χρήση του στην τρισδιάστατη εκτύπωση ορίζοντας μια ολόκληρη κατηγορία τρισδιάστατων εκτυπωτών, τεχνολογίας SLA/DLP. Η ενίσχυση των ρητινών που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις τεχνικές εκτύπωσης, σε αντίθεση με την πιο κοινή τεχνική FDM, είναι ένα πεδίο έρευνας το οποίο βρίσκεται ακόμα σε πρωταρχικό στάδιο. Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο την ενίσχυση φωτοπολυμερών με νανοδομές άνθρακα, με σκοπό την δημιουργία νανοσύνθετων αγώγιμων υλικών που εν δυνάμει θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τρισδιάστατη εκτύπωση. Η δυνατότητα ενίσχυσης φωτοπολυμερικών ρητινών με σκοπό την εκτίμηση της σκοπιμότητας της χρησης της σε τρισδιάστατες εκτυπώσεις είναι η βασική καινοτομία της παρούσας διατριβής. Τα αποτελέσματα που θα προκύψουν, θα συγκριθούν μεταξύ τους, καθώς δεν υπάρχει σχετική βιβλιογραφία για απ’ευθείας σύγκριση.Αρχικά έγινε η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός του φωτοπολυμερούς που χρησιμοποιήθηκε ως μήτρα για την δημιουργία των νανοσύνθετων δειγμάτων. Το φωτοπολυμερές αυτό συντέθηκε χρησιμοποιώντας ως ολιγομερές Διακρυλική Πολύ-Αιθυλενογλυκόλη (PEGDA) και ως φωτοεκκινητή τον Irgacure D-2959. Μετά από κατάλληλες δοκιμές επιλέχθηκε η αναλογία 2% κ.β. φωτοεκκινητές εντός του ολιγομερούς. Τα δείγματα που παρασκευάστηκαν έχουν τη μορφή λεπτών υμενίων. Για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων του φωτοπολυμερούς, έγινε χαρακτηρισμός με χρήση των τεχνικών SEM, FTIR, θερμικών DSC, TGA και μηχανικών DMA και αντοχής σε εφελκυσμό.Για την επίτευξη αγώγιμης συμπεριφοράς των ενισχυμένων δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκαν ως εγκλείσματα νανοδομές άνθρακα και πιο συγκεκριμένα, γραφένιο (G), νανοσωλήνες (CNTs), μείγμα αυτών (Hybrid) και χημικά τροποποιημένοι νανοσωλήνες (fCNTs). Η ενσωμάτωση των εγκλεισμάτων εντός της φωτοπολυμερικής μήτρας έγινε απουσία διαλύτη, εκτός από τους fCNTs, με χρήση μίκτη υψηλών διατμητικών τάσεων για την ομογενή διασπορά τους. Ομοίως με τα δείγματα του αμιγούς UVPEGDA, τα δείγματα από το ενισχυμένο φωτοπολυμερές παρασκευάστηκαν σε μορφή λεπτών υμενίων και χαρακτηρίστηκαν με χρήση μικροσκοπίας SEM για τον έλεγχο της διασποράς των εγκλεισμάτων, με χρήση FTIR για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών του φωτοπολυμερισμού και με χρήση τεχνικών επιφανειακής και εγκάρσιας αγωγιμοτητας με σκοπό τον προσδιορισμό των ηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών. Στη συνέχεια μελετήθηκαν ως προς την επίδραση των εγκλεισμάτων στην θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης με χρήση DSC και ως προς τη θερμική τους αντοχή με χρήση TGA τεχνικής. Οι μηχανικές ιδιότητες των υμενίων προσδιορίστηκαν θερμομηχανικά με χρήση DMA και το μέτρο ελαστικότητάς τους με χρήση δοκιμής εφελκυσμού. Τέλος, έγινε και μελέτη της διηλεκτρικής τους συμπεριφοράς με την μέθοδο BDS.Τα αποτελέσματα έδειξαν πως ο στόχος της διατριβής επετεύχθη, καθώς τα δείγματα εμφάνισαν ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Αναλυτικότερα, τα δείγματα που περιέχουν CNTs εμφάνισαν τις καλυτερες τιμές επιφανειακής αγωγιμότητας έναντι του γραφενίου ενώ το Hybrid 70/30 εμφάνισε βελτιωμένες τιμές συγκριτικά με την ποσότητα των νανοσωματιδίων. Από την φασματοσκοπία FTIR, παρατηρήθηκε η αρνητική επίδραση των νανοσωματιδίων στη διαδικασία του φωτοπολυμερισμού η οποία είναι ανάλογη της ποσότητας των εγκλεισμάτων, σε κάθε περίπτωση. Ως προς τα θερμικά χαρακτηριστικά, τα δείγματα με γραφένιο εμφανίζουν βελτιωμένα χαρακτηριστικά έναντι των δειγμάτων χωρίς εγκλείσματα ενώ τα δείγματα με CNTs εμφανίζουν υποβαθμισμένα χαρακτηριστικά. Τα δείγματα με γραφένιο εμφάνισαν βελτίωση και στις μηχανικές ιδιότητες των δειγμάτων έναντι αυτών με CNTs. Τέλος, μέσω της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας, παρατηρήθηκε η υπεροχή των δειγμάτων με CNTs, ενώ τα δείγματα με γραφένιο δεν εμφανίζουν σημαντικά αναβαθμισμένη συμπεριφορά.