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Bei der additiven Fertigung (auch als dreidimensionales bzw. 3D-Drucken bezeichnet), wie sie bisher in der Industrie praktiziert wurde, ging es zumeist um das Drucken von Strukturmerkmalen. Es besteht ein Bedarf an Materialien und Prozessen, mit denen sich Funktionseigenschaften (wie z. B. elektronische Merkmale) in die additive Fertigung integrieren lassen. In letzter Zeit wurden leitfähige Materialien kommerzialisiert, die potenziell nützlich bei der additiven Fertigung sind, aber ihre Leitfähigkeiten sind im Allgemeinen niedrig und liegen im Bereich von ~10–3 S/cm bis maximal ~2,0 S/cm. Die mechanischen Eigenschaften der kommerziell erhältlichen Materialien, insbesondere der leitfähigen Materialien, wie z. B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polymilchsäure (Polylactic Acid, (PLA), sind im Allgemeinen begrenzt (z. B. sind sie nicht flexibel, sind sie ziemlich spröde), weshalb sie nur begrenzt als leitfähige Komponente verwendet werden können.
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Es besteht auf dem Gebiet der additiven Fertigung ein starkes Interesse an der Entwicklung verbesserter Materialien, die zum einfachen Ausdrucken vollständig integrierter Funktionsobjekte mit geringer Nachmontage verwendet werden können. Dies würde völlig neue Designs in der Fertigung und im Verbrauch alltäglicher Objekte ermöglichen, insbesondere wenn sie mit leitfähigen Materialien realisiert werden können. Die Fähigkeit zum Ausdrucken leitfähiger Komponenten im Inneren eines Objekts kann das Potential für eingebettete Sensoren und Elektronik in sich tragen.
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Verbreitete Techniken in der additiven Fertigung nutzen die Extrusion von geschmolzenem Polymer durch eine beheizte Düse. Dieses Verfahren wird, zum Beispiel, in der Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) genutzt, wo ein Filament in eine heiße Zone zugeführt und kontinuierlich extrudiert wird. Das geschmolzene Polymer kann Schicht für Schicht auf einer Aufbauplatte abgelagert werden, um 3D-Objekte zu bilden. Gegenwärtig sind nur sehr wenige Filamentmaterialien auf dem Markt, die elektrische Leitfähigkeit aufweisen, und die erhältlichen haben relativ geringe Leitfähigkeiten, welche die Palette möglicher Anwendungen eingrenzen. Diese Materialien sind typischerweise so aufgebaut, dass ein leitfähiges Material ein perkolierendes Netz durch eine isolierende Polymerbasis hindurch bildet, sodass den Elektronen eine durchgängige Fließstrecke zur Verfügung steht. Die Bildung dieses leitfähigen Netzes ist durch die Art und Weise beschränkt, wie die leitfähigen Partikel innerhalb der Polymerbasis angeordnet sind. Obwohl diese Materialien in Labors und in der Industrie bereits umfassend erkundet wurden, liegt der Schwerpunkt typischerweise bei der Minimierung der Menge an leitfähigem Additiv, das zur Bildung eines perkolierenden Netzes erforderlich ist, wobei die Leitfähigkeit relativ niedrig ist.
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Neuartige Kunststoff-Kompositmaterialien, die eine erhöhte Leitfähigkeit aufweisen, wären auf dem Gebiet der Technik ein willkommener Schritt vorwärts und könnten signifikante Auswirkungen auf das Gebiet der additiven Fertigung haben.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein leitfähiges Polymer-Komposit. Das Komposit umfasst ein thermoplastisches Polymer; Kohlenstoff-Nanoröhren; mindestens ein Elektronendonator-Molekül und mindestens ein Elektronenakzeptor-Molekül.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum dreidimensionalen bzw. 3D-Drucken. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Komposits an einen 3D-Drucker, wobei das Komposit ein thermoplastisches Polymer, Kohlenstoff-Nanoröhren, mindestens ein Elektronendonator-Molekül und mindestens ein Elektronenakzeptor-Molekül umfasst. Das Komposit wird erhitzt, und das erhitzte Komposit wird auf eine Aufbauplattform extrudiert, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein leitfähiges Polymer-Komposit-Filament. Das Filament umfasst ein thermoplastisches Polymer, Kohlenstoff-Nanoröhren, mindestens ein Elektronendonator-Molekül und mindestens ein Elektronenakzeptor-Molekül.
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Die Zusammensetzungen der vorliegenden Anmeldung zeigen eines oder mehrere der folgenden Vorteile: verbesserte Leitfähigkeit der Filamente für 3D-Druckanwendungen, wie z. B. Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) und verbesserte 3D-Druck-Verarbeitungsfähigkeit.
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Es sollte verständlich sein, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung exemplarisch sind und lediglich der Veranschaulichung dienen sollen und sich nicht einschränkend auf die vorliegenden anspruchsgemäßen Lehren auswirken.
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Die beigefügten Zeichnungen, welche in die vorliegende Beschreibung eingebunden sind und einen Teil von dieser bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Lehren und dienen in Verbindung mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der vorliegenden Lehren.
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1 zeigt einen 3D-Drucker, bei dem ein Filament zum Einsatz kommt, das mit den Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.
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2 zeigt einen synergistischen Effekt eines thermoplastischen Materials, das Kohlenstoff-Nanoröhren, einen Elektronendonator und einen Elektronenakzeptor gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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Es ist anzumerken, dass einige Details der Figur vereinfacht wurden und so gezeichnet sind, dass sie das Verständnis der Ausführungsformen erleichtern, anstatt sich streng nach struktureller Genauigkeit, Details und Maßstab zu richten.
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Nunmehr wird detailliert Bezug genommen auf Ausführungsformen der vorliegenden Lehren, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht werden. In den Zeichnungen wurden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung identischer Elemente verwendet. In der folgenden Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil von ihr bilden und in denen mittels Veranschaulichung spezifische exemplarische Ausführungsformen gezeigt werden, in denen die vorliegenden Lehren praktisch angewendet werden können. Die folgende Beschreibung hat daher rein exemplarischen Charakter.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein leitfähiges Polymer-Komposit. Das Komposit umfasst ein thermoplastisches Polymer, Kohlenstoff-Nanoröhren, mindestens ein Elektronendonator-Molekül und mindestens ein Elektronenakzeptor-Molekül.
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In den Kompositen der vorliegenden Offenbarung kann jedes geeignete thermoplastische Polymer, das beim dreidimensionalen Drucken verwendbar ist, eingesetzt werden. Das Komposit kann ein einzelnes Polymer oder Mischungen von thermoplastischen Polymeren einschließen, einschließlich Mischungen von jedem der hier offenbarten thermoplastischen Polymere. In einer Ausführungsform umfasst das thermoplastische Polymer mindestens eine Wiederholungseinheit, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche einschließt: Acrylat-Einheiten, Carboxylsäureester-Einheiten, Amid-Einheiten, Milchsäure-Einheiten, Ether-Einheiten, Sulfon-Einheiten, Arylketon-Einheiten, Arylether-Einheiten, Etherimid-Einheiten, Ethylen-Einheiten, Phenylenoxid-Einheiten, Propylen-Einheiten, Styrol-Einheiten, Vinylhalogenid-Einheiten und Carbamat-Einheiten. In einer Ausführungsform ist das thermoplastische Polymer ein Copolymer, z. B. ein Block-Copolymer, aus zwei oder mehr von jeder der oben aufgeführten Wiederholungseinheiten. Als ein Beispiel kann das thermoplastische Polymer mindestens ein Polymer umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche einschließt: Polyacrylate, Polybenzimidazole, Polycarbonate, Polyethersulfone, Polyaryletherketone wie zum Beispiel Polyetheretherketon, Polyetherimid, Polyethylene wie zum Beispiel Polyethylen und Poly(ethylen-Co-Vinylacetat), Polyphenylenoxide, Polypropylene wie zum Beispiel Polypropylen und Poly(vinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen), Polystyrole wie zum Beispiel Polystyrol, Poly(styrolisoprenstyrol), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Poly(Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol) (SEBS), Polyester wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat, Polymilchsäure (Polylactic Acid, PLA) und Polycaprolacton, Polyurethane, Polyamide wie zum Beispiel Nylon, Poly(vinylidenfluorid) (PVD) und Polyvinylchloride. In einer Ausführungsform enthält das thermoplastische Polymer kein Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder PLA.
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In einer Ausführungsform ist das thermoplastische Polymer ausgewählt aus der Gruppe, welche einschließt: Polyacrylate und Copolymer von Acrylaten, wie zum Beispiel Block-Copolymere von Acrylaten. Die Acrylat-Copolymere können mindestens ein Acrylat-Monomer umfassen und optional ein oder mehrere zusätzliche Monomere wie zum Beispiel jedes der oben aufgeführten Monomere zur Verwendung in den thermoplastischen Polymeren. Derartige Polymere können mit einem gewünschten Grad an Flexibilität formuliert werden. In einer Ausführungsform kann das Polymer ein Polyester sein, zum Beispiel ein Polycaprolacton.
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Das thermoplastische Polymer kann in dem Komposit in jedem geeigneten Anteil enthalten sein, der dem Komposit das Funktionieren in einem 3D-Druckprozess ermöglicht. Beispiele für geeignete Anteile umfassen einen Bereich von ungefähr 10 bis ungefähr 90 Masseprozent, zum Beispiel von ungefähr 40 bis ungefähr 80 Masseprozent oder von ungefähr 40 bis ungefähr 70 Masseprozent, bezogen auf die Gesamtmasse des leitfähigen Polymer-Komposits.
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Die Komposite können Kohlenstoff-Nanoröhren, Elektronendonator-Moleküle und Elektronenakzeptor-Moleküle in jedem geeigneten Anteil enthalten, die für die gewünschte Leitfähigkeit sorgen. Beispielanteile der Kohlenstoff-Nanoröhren umfassen einen Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 40 Masseprozent, zum Beispiel von ungefähr 2 bis ungefähr 20 Masseprozent oder von ungefähr 2 bis ungefähr 15 Masseprozent, bezogen auf die Gesamtmasse des leitfähigen Polymer-Komposits. Höhere Anteile von Kohlenstoff-Nanoröhren können die Verarbeitungsfähigkeit der Zusammensetzung durch ein 3D-Drucker verringern, in Abhängigkeit von – unter anderem – der Art des Thermpoplasts und dem eingesetzten Druckprozess. Damit können, in einer Ausführungsform, Kohlenstoff-Nanoröhren-Konzentrationen von 20 Masseprozent oder weniger, wie zum Beispiel von 10 Masseprozent oder weniger, bevorzugt sein. Beispielanteile der Elektronendonator-Moleküle umfassen einen Bereich von ungefähr 0,5 bis ungefähr 50 Masseprozent, zum Beispiel von ungefähr 5 bis ungefähr 45 Masseprozent oder von ungefähr 10 bis ungefähr 40 Masseprozent oder von ungefähr 15 bis ungefähr 43 Masseprozent, bezogen auf die Gesamtmasse des leitfähigen Polymer-Komposits. Beispielanteile der Elektronenakzeptor-Moleküle umfassen einen Bereich von ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 Masseprozent, zum Beispiel von ungefähr 0,2 bis ungefähr 5 Masseprozent oder von ungefähr 0,3 bis ungefähr 2 Masseprozent, bezogen auf die Gesamtmasse des leitfähigen Polymer-Komposits.
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Jegliche geeignete Kohlenstoff-Nanoröhren können verwendet werden. Beispiele für geeignete Kohlenstoff-Nanoröhren sind einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren, mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren sowie Mischungen von diesen. In einer Ausführungsform sind die Kohlenstoff-Nanoröhren mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren. Zu den kommerziell verfügbaren Quellen für Kohlenstoff-Nanoröhren zählen zum Beispiel die Kohlenstoff-Nanoröhren, welche von CHEAPTUBESTM oder NANOCYLTM erhältlich sind, wie zum Beispiel Nanocyl 7000.
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Die Elektronendonator-Moleküle und Elektronenakzeptor-Moleküle können einen Ladungsübertragungskomplex bilden, der in Verbindung mit den Kohlenstoff-Nanoröhren die elektrische Leitfähigkeit der thermoplastischen Zusammensetzung verbessert. Jeglicher geeignete Typ von Elektronendonatoren und Elektronenakzeptoren können verwendet werden. In einer Ausführungsform können die Elektronendonatoren niedermolekulare Halbleiter. Zu Beispielen für geeignete Elektronendonatoren zählen tertiäre Arylamine, Benzidin und deren Derivate, wie zum Beispiel N,N′-Diphenyl-N,N′-bis(Alkylphenyl)-1,1-Biphenyl-4,4′-Diamin oder N,N'-bis(4-Methylphenyl)-N,N'-bis(4-Ethylphenyl)-[1,1'-(3,3'-Dimethyl)biphenyl]4,4'-Diamin oder Kombinationen von diesen, wobei zu den Derivaten beispielsweise zählen kann der Austausch von Wasserstoffatomen an einem oder mehreren der Phenylringe der tertiären Arylamine oder Benzidin durch Halogenide, Amine, Aldehyde, Ether, Boronsäuren oder zusätzliche Phenylringe, solange das Derivat die konjugierte Struktur beibehält und als ein Elektronendonator agiert. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Elektronenakzeptor ein Dotierungsmittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche einschließt: Tetracyanochinodimethan (TCNQ), Tetracyanoethylen (TCNE) oder Chinone und deren Derivate sowie Kombinationen von diesen, wobei zu den Derivaten beispielsweise zählen kann der Austausch von Wasserstoffatomen auf dem TCNQ, TCNE oder den Chinonen durch andere Atome oder Radikale, zum Beispiel Chloratome, Hydroxylradikale, Cyanoradiale oder jegliches andere geeignete Radikal, solange das Derivat konjugiert bleibt und als Elektronenakzeptor agiert.
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Die leitfähigen Polymer-Komposite der vorliegenden Offenbarung können jegliche anderen geeigneten optionalen Inhaltsstoffe in jedem gewünschten Anteil enthalten, wie zum Beispiel Trägerflüssigkeiten, Weichmacher und andere derartige Komponenten zur Regelung des Flusses in der thermoplastischen Verarbeitung, Dispersionsmittel und Tenside. Inhaltsstoffe, die in der vorliegenden Offenbarung nicht ausdrücklich genannt sind, können eingeschränkt und/oder aus den hier offenbarten leitfähigen Polymer-Kompositen ausgeschlossen sein. Damit können sich die Anteile des thermoplastischen Polymers, der Kohlenstoff-Nanoröhren, des Elektronendonators und des Elektronenakzeptors, mit oder ohne den hier erwähnten optionalen Inhaltsstoffen, bis zu 90 bis 100 Masseprozent der in den Kompositen der vorliegenden Offenbarung eingesetzten Gesamtinhaltsstoffe summieren, zum Beispiel von 95 bis 100 Masseprozent oder von 98 bis 100 Masseprozent oder von 99 bis 100 Masseprozent oder zu 100 Masseprozent der Gesamtinhaltsstoffe.
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Das Komposit der vorliegenden Offenbarung kann in jeder geeigneten Form vorliegen. In einer Ausführungsform ist das Komposit ist eine leitfähige Paste. Die Paste kann eine Paste bei Raumtemperatur sein oder ein Material, das erhitzt werden muss, um wie eine Paste zu fließen. In einer Ausführungsform umfasst die Paste mindestens eine Trägerflüssigkeit. In einer Ausführungsform kann die Trägerflüssigkeit ein Lösungsmittel sein, das in der Lage ist, einen oder mehrere der Inhaltsstoffe der Paste aufzulösen. In einer anderen Ausführungsform ist die Trägerflüssigkeit kein Lösungsmittel. Zu geeigneten Trägerflüssigkeiten für die Paste zählen zum Beispiel Toluol, Pyrrolidone (z. B. N-Methylpyrrolidon, 1-Cyclohexyl-2-Pyrrolidon), N,N-Dimethylformamid (DMF), N,N-Dimethylacetamid-Dimethylsulfoxid und Hexamethylphosphoramid. Die Trägerflüssigkeit kann in der Paste in jedem geeigneten Anteil enthalten sein, wie zum Beispiel von ungefähr 0,5 bis ungefähr 60 Masseprozent, bezogen auf die Gesamtmasse der feuchten Kompositpaste. Zu optionalen Additiven, die in der Paste enthalten sein können, zählen zum Beispiel Dispersionsmittel, Tenside, andere Lösungsmittel zusätzlich zu der Trägerflüssigkeit und andere leitfähige Additive.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Komposit in Form eines trockenen Komposits vorliegen, das weniger als 5 % flüssigen Träger enthält, zum Beispiel weniger als 3, 2 oder 1 Masseprozent, bezogen auf die Gesamtmasse des trockenen Komposits, zum Beispiel keinen flüssigen Träger. Das trockene Komposit kann unter Verwendung eines Lösungsmittels gebildet werden, welches dann durch ein geeignetes Verfahren entfernt wird, zum Beispiel durch Erhitzen, Vakuum und/oder andere Techniken zum Entfernen von Flüssigkeiten. Alternativ kann das Komposit ohne Trägerflüssigkeit oder Lösungsmittel hergestellt werden, unter Verwendung von reinen Verarbeitungstechniken.
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Das Komposit besitzt eine Masseleitfähigkeit, die größer ist als 0,7 S/cm, zum Beispiel größer als 0,8 S/cm. Die Berechnung der Masseleitfähigkeit erfolgt anhand der Formel: σ = L/(R·A) (1)
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Wobei:
- σ
- die elektrische Masseleitfähigkeit ist;
- L
- die Länge des Filaments ist;
- R
- der gemessene Widerstand eines extrudierten Filaments ist;
- A
- die Querschnittsfläche (πr2) des Filaments ist, wobei r der Radius des Filaments ist.
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Der Widerstand, R, kann gemessen werden, indem ein aus dem Komposit bestehendes extrudiertes Filament gebildet wird. Die Spitzen des Filaments werden mit Silber bestrichen, um für gute elektrische Verbindungen mit den Testgeräten zu sorgen, wären aber nicht notwendigerweise gestrichen, wenn die Filamente zum Einsatz in der additiven Fertigung vorgesehen sind. Der Widerstand kann dann über die Länge des Filaments gemessen werden. Die Abmessungen des Filaments und der gemessene Wert für R können dann verwendet werden, um die Masseleitfähigkeit (σ) des Komposits zu berechnen.
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Die Komposite der vorliegenden Offenbarung können durch jedes geeignete Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann das thermoplastische Polymer mithilfe von Schmelzmischtechniken mit den Kohlenstoff-Nanoröhren, dem Elektronendonator und dem Elektronenakzeptor kombiniert werden. Andere geeignete Techniken zum Mischen solcher Zusammensetzungen sind nach dem Stand der Technik gut bekannt.
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum dreidimensionalen bzw. 3D-Drucken. Jede Art von 3D-Druck kann verwendet werden, zum Beispiel Filament-Druck (z. B. FDM) oder Pastenextrusion. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von einem der leitfähigen Polymer-Komposite der vorliegenden Offenbarung an einen 3D-Drucker. Das Komposit kann in jeder geeigneten Form vorliegen, die sich für das dreidimensionale Drucken eignet, zum Beispiel in Form eines Filaments oder einer Paste. Das leitfähige Polymer kann in einen geschmolzenen Zustand erhitzt werden, der für die Extrusion geeignet ist. Dann wird das erhitzte leitfähige Polymer auf ein Substrat extrudiert, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden.
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Die leitfähigen Polymer-Komposite der vorliegenden Offenbarung können in einem FDM-Verfahren verwendet werden, indem zuerst das Komposit zu einem Filament geformt wird, das eine gewünschte Form und Abmessungen aufweist (z. B. durch Extrusion oder jedes andere geeignete Verfahren). Das Filament kann jede geeignete Form aufweisen, die das Laden des Filaments in einen 3D-FDM-Drucker und das Drucken ermöglicht. Das Filament, wie es anfänglich bereitgestellt wird, kann eine kontinuierliche Länge aufweisen, die viel länger als dessen Dicke T ist (dargestellt in 1), sodass ein Verhältnis von Länge zu Dicke größer ist als 100 zu 1, zum Beispiel größer als 500 zu 1 oder 1000 zu 1 oder mehr, wobei T die kleinste Dickenabmessung des Filaments ist (z. B. hat der Durchmesser des Filaments einen kreisförmigen Querschnitt). Es kann jede geeignete Dicke verwendet werden, und diese kann vom verwendeten 3D-Drucker abhängen. Beispielsweise können die Dicken in einem Bereich von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 10 mm liegen, z. B. von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 5 mm oder von ungefähr 1 mm bis ungefähr 3 mm.
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Ein Beispiel eines 3D-Druckers 100, bei dem ein Filament der vorliegenden Offenbarung zum Einsatz kommt, ist in 1 dargestellt. Der 3D-Drucker 100 enthält einen Zuführungsmechanismus 102 zur Zuführung des Filaments 104 zu einem Verflüssiger 106. Der Verflüssiger 106 schmilzt das Filament 104, und der daraus resultierende geschmolzene Kunststoff wird durch eine Düse 108 extrudiert und auf einer Aufbauplattform 110 abgelagert. Der Zuführungsmechanismus 102 kann Walzen oder jeglichen anderen geeigneten Mechanismus umfassen, der geeignet ist, um das Filament 104 zum Beispiel von einer Filamentspule (nicht dargestellt) zuzuführen. Der Verflüssiger 106 kann jede Technik zum Erhitzen des Filaments verwenden, wie z. B. Heizelemente, Laser und so weiter. Der in 1 dargestellte 3D-Drucker 100 ist lediglich exemplarisch, und jede Art von 3D-Drucker kann eingesetzt werden, um die Filamente der vorliegenden Offenbarung abzulagern.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Leitfähige Polymer-Komposite wurden hergestellt durch Schmelzmischen einer Polymerbasis (Polycaprolacton) mit leitfähigen Additiven, welche 22 Masseprozent eines Elektronendonator-Moleküls (N,N′-Diphenyl-N,N′-bis(alkylphenyl)-1,1-Biphenyl-4,4′-Diamin, auch als mTBD bezeichnet), 0,4 Masseprozent eines Elektronenakzeptor-Moleküls (Tetracyanochinodimethan, auch als TCNQ bekannt) und 11 Masseprozent mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNT) enthielten, in einem Doppelschneckenextruder für 30 Minuten bei 30 U/Min. Das resultierende Material wurde kryogen gemahlen, und das gemahlene Komposit wurde unter Verwendung eines Schmelzfluss-Indexers (Melt Flow Indexer, MFI) und einer modifizierten Matrize zu einem Filament extrudiert. Die Bedingungen für die Extrusion in dem MFI waren unter anderem eine 1,8-mm-Öffnung und ein Gewicht von 16,96 kg (das Gewicht des MFI liefert die Kraft zur Extrusion), um das endgültige Filament herzustellen. Das endgültige Filament hatte einen Durchmesser von ungefähr 1,75 mm.
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Beispiel 2
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Eine 10-cm-Abschnitt des extrudierten Filaments aus Beispiel 1, dessen Enden mit Silberlack bestrichen waren, wurde verwendet, um den Widerstand zu messen und die Masseleitfähigkeit zu berechnen. Für die Widerstandsmessungen wurde ein Digital-Multimeter verwendet. Die Masseleitfähigkeit betrug 0,89 S/cm, berechnet mit der oben angegebenen Formel 1.
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Vergleichsbeispiel A
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Ein Komposit ähnlich dem aus Beispiel 1 wurde hergestellt, aber mit 10 Masseprozent MWNT und 30 Masseprozent mTBD, (kein Akzeptor-Dotierungsmittel wurde hinzugefügt).
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Vergleichsbeispiel B
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Ein Komposit ähnlich dem aus Beispiel 1 wurde hergestellt, aber ohne die mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren.
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Vergleichsbeispiel C
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Ein Komposit ähnlich dem aus Beispiel 1 wurde hergestellt, aber mit 35 Masseprozent mTBD und ohne die mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren oder das Akzeptor-Dotierungsmittel.
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Vergleichsbeispiel D
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Ein Komposit ähnlich dem aus Beispiel 1 wurde hergestellt, aber mit 10 Masseprozent MWNT und ohne den niedermolekularen Halbleiter oder das Akzeptor-Dotierungsmittel.
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Die Masseleitfähigkeit der Zusammensetzungen aus jedem der Vergleichsbeispiele A bis D wurde gemessen, ähnlich wie in Beispiel 2 beschrieben. Die Ergebnisse sind in 2 dargestellt. Aus den Ergebnissen ging hervor, dass das Elektronendonator-Molekül N,N'-Diphenyl-N,N'-bis(alkylphenyl)-1,1-Biphenyl-4,4'-Diamin (mTBD), das Elektronenakzeptor-Molekül Tetracyanochinodimethan (TCNQ) und MWNT eine synergistische Wirkung hatten, wenn sie miteinander in einem Kunststoff-Komposit kombiniert wurden. Das Elektronendonator-Molekül, mTBD, bildete kein leitfähiges Komposit bei Abwesenheit von MWNT, egal ob mit oder ohne dem Elektronenakzeptor-Molekül (Vergleichsbeispiele B und C).
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Außerdem wurde kein signifikanten Anstieg bei der Leitfähigkeit beobachtet, wenn mTBD und MWNT kombiniert wurden (Vergleichsbeispiel A). In Anwesenheit aller drei Additivkomponenten (mTBD, TCNQ und MWNT) wurde einen relativ großen Anstieg der Leitfähigkeit beobachtet, der größer war als die Additivwirkung, die aus den Ergebnissen von mTBD, TCNQ und MWNT allein zu erwarten wäre, wie in 1 gezeigt. Damit zeigen die Daten aus 1 eine synergistische Wirkung der mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren mit dem Ladungsübertragungskomplex. Während sie eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit zeigten, behielten die Materialien ihre Verarbeitungsfähigkeit und Anwendbarkeit für die additive Fertigung (auch als 3D-Druck bezeichnet) bei.
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Ungeachtet der Tatsache, dass es sich bei den numerischen Bereichen und Parametern, welche den allgemeinen Umfang der vorliegenden Offenbarung festlegen, um Näherungen handelt, werden die in den konkreten Beispielen genannten numerischen Werte so genau wie möglich angegeben. Alle numerischen Werte enthalten jedoch inhärent bestimmte Fehler, die notwendigerweise aus der Standardabweichung resultieren, welche in ihren jeweiligen Testmessungen vorlagen. Darüber hinaus sollen alle hier offenbarten Bereiche so aufgefasst werden, dass sie jegliche und alle darin subsumierten Teilbereiche umfassen.
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Während die vorliegenden Lehren mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen veranschaulicht wird, können an den veranschaulichten Beispielen Änderungen und/oder Modifizierungen vorgenommen werden, ohne dass damit vom Gedanken und Umfang der beigefügten Ansprüche abgewichen wird. Außerdem gilt: Während ein bestimmtes Merkmal der vorliegenden Lehren möglicherweise mit Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, kann ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wenn das gewünscht oder für eine beliebige gegebene oder bestimmte Funktion von Vorteil ist. Darüber hinaus gilt: Sofern die Begriffe „enthaltend“, „schließt ein“, „verfügt über“, „hat“, „mit“ oder Varianten davon sowohl in der detaillierten Beschreibung als auch in den Ansprüchen verwendet werden, sollen diese Begriffe in einer ähnlichen Weise als einschließend verstanden werden, wie das beim Begriff „umfassend“ der Fall ist. Des Weiteren wird mit dem hier in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendeten Begriff „ungefähr“ angegeben, dass der genannte Wert geringfügig verändert sein kann, so lange diese Änderung nicht zur Abweichung des Verfahrens oder der Struktur von der erläuterten Ausführungsform führt. Schließlich bedeutet „exemplarisch“, dass die Beschreibung als ein Beispiel verwendet wird und nicht implizieren soll, dass sie ein Ideal darstellt.
