南密西西比大学强哲AM:增材制造助力商品聚丙烯转变为碳材料

南密西西比大学强哲AM:增材制造助力商品聚丙烯转变为碳材料

碳材料对现代社会的发展至关重要，在储能和高性能复合材料等各种应用中都有不可缺少的用途。尽管取得了很大的进展，但控制三维(3D)宏观构型的按需碳制造仍然是一个棘手的挑战，阻碍了它们在许多需要结构化材料和产品的领域的直接应用。这项工作介绍了一种简单而可扩展的方法，使用易于获取的材料和技术生成复杂的大规模碳结构。3d打印的商用聚丙烯(PP)部件可以通过裂解扩散和交联进行热稳定。从我们的工作中新阐明的机制允许厚PP部件通过随后的热解步骤产生具有复杂结构的碳质产品。我们实现pp到碳转换的方法具有一致的产品收率和可控的尺寸收缩。在优化的加工条件下，这些pp衍生碳表现出强大的机械性能和良好的焦耳加热性能，证明了它们作为加热元件的广泛用途。此外，该工艺可以扩展到回收PP，使废塑料材料转化为增值产品。这项工作提供了一种创新的方法来创建具有复杂几何结构的结构化碳材料，这可以对许多重要的技术应用产生革命性的影响，并广泛受益。

图文简介

(a)每个加工步骤(包括交联和碳化)后印刷零件的加工方案和相关的化学结构变化。(b)与未处理的打印PP部件相比，在不同温度下磺化2h的样品的几何形状，包含单位尺寸为1.65 cm的陀螺形状。(c)交联PP样品的质量摄取和(d)结晶度随磺化时间和温度的变化。

交联PP样品随反应时间和温度变化的SEM图像，包括(a-d) 130°C， (e-h) 150°C和(i-l) 170°C。(m)展示了印刷PP部件完全交联的机制，由反应诱导的开裂行为的产生而实现。比例尺:300 μm。

(a)模型PP零件磺化时间和温度对碳产量的影响。(b)确定打印方向的模型陀螺标本代表性3D图像。(c)在150°c下磺化48 h的陀螺样品的尺寸收缩和碳产量作为函数立方尺寸。(d)用于评估工艺可伸缩性的碳化立方体样品。碳化后的各向异性收缩被注意到。(e)陀螺立方体试样的尺寸收缩和碳产量随陀螺结构密度的变化

(a)复杂碳结构:六角线、鹰翼、金字塔、思想家。(b) pp衍生碳沿印刷(或Z)方向的机械性能。(c) pp衍生碳陀螺(1.5g)的照片至少可以容纳8公斤的总质量。

(a) pp衍生碳的焦耳加热性能，显示在10和20 w时加热和冷却的时间。(b)这些碳材料的焦耳加热温度是供电功率的函数。(c)为焦耳加热过程中一个模型加热元件的图片，显示颜色在30 w时随时间的变化。(d)铝锅可以使用35w的电源，在焦耳加热的pp衍生碳上15秒内迅速融化。(e)同样，pp衍生碳可以用作8W沸水的加热元件。

论文信息

论文题目：Additive Manufacturing of Carbon using Commodity Polypropylene

通讯作者：美国南密西西比大学强哲教授通讯单位：南密西西比大学

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