Investigation of the Effect of Mixing Methods and Chemical Treatments on the Conductivity of the CNT/PLA Based Composites

La popularité croissante de l'acide polylactique (PLA) est liée à sa biocompatibilité, ses bonnes propriétés mécaniques, et sa synthèse possible à partir de ressources renouvelables. Le PLA peut être mélangée avec des charges conduisant l'électricité (par exemple des nanotubes de carbone (NTC)) pour former des composites conducteurs à base de polymères (CPC). Ces charges amènent la fonction conductrice grâce à la formation de chemins de percolation. Très légers, les CPC ont le potentiel de remplacer les métaux dans l'industrie électronique s'ils atteignent des conductivités électriques similaires. Les problèmes actuels qui se posent lors du mélange de nanotubes de carbone dans une matrice de polymère sont la formation d'agrégats en raison des forces de van der Waals puissantes, et la rupture des nanotubes de carbone au cours de la dispersion. Dans cette étude, nous comparons: (1) deux méthodes de fabrication pour créer des CPC (soit le mélange de solution par ultra-sons et l'extrusion) (2) les effets des différentes techniques de fonctionnalisation NTC (c'est à dire, traitements par acide ou plasma) et (3) l'effet de l'utilisation de molécules de liaison telle que la para-phénylènediamine, qui agissent comme des ponts entre les NTC dans le CPC, et l'effet sur la conductivité des CPC. Ces matériaux composites conducteurs peuvent trouver des applications technologiques diverses qui soit nécessitent, soit peuvent bénéficier, de la capacité à réaliser des éléments avec des motifs microscopiques dans des architectures en deux dimensions (2D) et en trois dimensions (3D). Une technique de fabrication en écriture directe est utilisée pour réaliser ces motifs imprimés, en utilisant la solution de CPC comme encre. Tout d'abord, les composites comprenant 30% massique de PLA dans du dichlorométhane (DCM) et des NTC à différentes concentrations (jusqu'à 5 %massique) sont fabriqués par une méthode en deux étapes de traitement par ultrasons (c'est à dire dissoudre le PLA dans du DCM, puis la disperser des NTC dans la solution de polymère). Deuxièmement, les CPC sont fabriqués en utilisant une micro extrudeuse à double vis fonctionnant à 180⁰C. Pour vérifier les effets de la fonctionnalisation des nanotubes de carbone sur la conductivité des matériaux composites, les NTC sont fonctionnalisés par trois méthodes: - fonctionnalisation par l'acide HNO₃, fonctionnalisation par acide (plus fort) HNO₃ + H₂SO₄ avec un ratio de 3 :1, et fonctionnalisation par plasma N₂.

Abstract

The growing popularity of Poly lactic acid (PLA) is mainly due to its biocompatibility, good mechanical properties, and its synthesis from renewable resources. PLA can be compounded with electrically conductive fillers (e.g., carbon nanotubes (CNTs)) to form conductive polymer composites (CPCs). These fillers provide conductive functionality to the composite material by forming percolation paths. Featuring very low weight densities, CPCs have the potential to replace metals in the electronic industry, if they exhibit similar electrical conductivities to that of the metals. The current challenges being faced during the mixing of CNTs in the polymer matrix are: formation of aggregates due to strong van der Waals forces and breakage of CNTs during dispersion. In this study, we compare: (1) two fabrication methods to create CPCs (i.e., solution mixing by sonication and melt extrusion) (2) effect of various CNT functionalization techniques (i.e., acid and plasma treatments) on the conductivity of CPCs and (3) effect of using binding molecules like para-phenylenediamine, that act as bridges in between the CNTs in the CPCs and its effect on the conductivity of CPCs. Such conductive composite materials find widespread technological applications which either require, or could benefit from, the ability to pattern micro-sized features in two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) architectures. Direct-write fabrication technique is used to realise these printed patterns, using the CPC solution as ink. First, the composites comprising of 30% PLA by weight in Dichloromethane (DCM) and CNTs in different concentrations (up to 5wt. %) are fabricated using a two-step sonication method (i.e., dissolving PLA in DCM and then dispersing the CNTs in this polymer solution). Second, CPCs are fabricated using a twin screw micro extruder operating at 180⁰C. To verify the effects of functionalization of the CNTs on the conductivity of composites, the CNTs are functionalized by three methods: HNO₃ acid functionalization, 3:1 ratio HNO₃ + H₂SO₄ acid (stronger) functionalization and N₂ plasma functionalization. To check the effect of amine binding molecules, HNO₃ acid functionalized CNTs are treated with a mixture of para-phenylenediamine and aniline in an acidic solution. These chemically treated CNTs are then mixed with PLA to form composites. CPC fibers are drawn using the solvent-cast printing method.