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„ACS Omega“: Herstellung von Graphenoxid-Flüssigkristallen durch Photohärtung

Einleitung: Graphen ist das stärkste bekannte Material. Die Herausforderung, diese Intensität von der Mikroebene auf die praktischere Makroebene zu übertragen, bleibt jedoch ungelöst. Durch die Herstellung fester Strukturen aus Graphenoxid-Flüssigkristallen können Papiere und Fasern mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Für diese Struktur werden traditionell Vakuumfiltrations-, Nassspinn- und Gefriertrocknungstechniken eingesetzt. Jetzt kann die 3D-Drucktechnologie auch zur Herstellung fester Strukturen aus Graphenoxid-Flüssigkristallen eingesetzt werden, und die erzielte Festigkeit ist extrem hoch. Wenn Sie interessiert sind, lesen Sie weiter!

28. Juni 2022 Forscher der Concordia University in Montreal erforschen die lichthärtende 3D-Drucktechnologie von Graphenoxid-Flüssigkristallen, um dem Material ein beispielloses Maß an Festigkeit zu verleihen. Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift ACS Omega mit dem Titel „Photocuring Graphene Oxide Liquid Crystals for High-Strength Structural Materials“ veröffentlicht.

Graphen macht seit mehr als einem Jahrzehnt Schlagzeilen als eines der Wundermaterialien, das die Lösung vieler technischer Herausforderungen verspricht. Das Material verfügt über ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, eine hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie Korrosions- und Verschleißfestigkeit. Leider ist es den Menschen bisher nicht gelungen, Graphen für praktische Anwendungen zu nutzen, die auch im Fokus vieler Forscher stehen. Das Concordia-Team nutzt nun die Photohärtungstechnologie, um selbstorganisierte Graphenoxidstrukturen herzustellen. Die von ihnen hergestellten Graphenoxidschichten waren groß und komplex.

Novoselov et al. entdeckten Graphen im Jahr 2004 und gewannen den Nobelpreis für Physik. Graphen ist nur ein Atom dick und etwa eine Million Mal dünner als ein menschliches Haar, hat jedoch einen Elastizitätsmodul von 1 TPa und eine Zugfestigkeit von 130 GPa und ist damit das stärkste bisher bekannte Material. Die Selbstorganisation von Graphenoxidschichten zu Flüssigkristallen ist ein vielversprechender Ansatz, da aus diesen Flüssigkristallen die gewünschten Makrostrukturen hergestellt werden können. Bisher wurde eine große Anzahl makroskopischer (wenn auch dünner) Strukturen hergestellt, beispielsweise Papiere, Fasern und Aerogele. Es gibt viele Methoden zur Herstellung dieser Strukturen, darunter Nassspinnen, Gefriertrocknung und Vakuumfiltration. Während diese Methoden geordnete Strukturen in der Flüssigkristallphase aufrechterhalten können, sind die Dicke und Komplexität der mit diesen Methoden erzeugten festen Strukturen begrenzt.

Um die Einschränkungen der traditionellen Fertigung zu überwinden, entschied sich das Concordia-Team für die Stereolithographie. Um die Graphenoxidschichten herzustellen, dispergierten sie zunächst das Graphen in Alkohol und vermischten es mit einem handelsüblichen Fotoinitiator, dem gleichen, der in vielen aktuellen 3D-Druckharzen verwendet wird.

Die Forscher fanden heraus, dass sie durch die Verwendung von ultraviolettem Licht zur Umwandlung von Graphen von einem flüssigen in einen festen Zustand die resultierende Mischung erfolgreich zu Graphenoxidflocken verfestigen konnten. Die Forscher führten auch Zugtests mit dem neuen lichthärtenden Graphenoxidpapier durch, die zeigten, dass seine mechanischen Eigenschaften mit denen eines Basis-Graphenoxidpapiers vergleichbar waren, das durch herkömmliche Vakuumfiltration hergestellt wurde.

Forscher haben gezeigt, dass die Photohärtung zur Herstellung von Graphenoxid-Flüssigkristallen möglich ist. Lichthärtende Graphenoxid-Flüssigkristalle ermöglichen dickere und möglicherweise komplexere Strukturen als aktuelle Methoden wie Vakuumfiltration oder Nassspinnen. Das Concordia-Team hofft, diese Methode auf den stereolithografischen 3D-Druck in Originalgröße anwenden zu können, mit dem Ziel, große 3D-Strukturen aus Graphen zu schaffen.

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