La Tecnología AM de Mechnano Integra Nanotubos Discretos de Carbono en Materiales AM para Lograr Mejoras Significativas en los Materiales

Los Nanotubos de Carbono (CNTs) son estructuras cilíndricas de carbono puro con paredes de un solo átomo de espesor y, a pesar de ser 10,000 veces más pequeñas que el cabello humano, los CNTs  tienen muchas propiedades únicas, incluyendo:
• Más duros que el diamante.
• 100 veces más fuertes que el acero.
• 1,000 veces más la capacidad de corriente del cobre.

Cuando se descubrieron los CNTs y sus propiedades en 1991 y, se hicieron consideraciones sobre cómo reaccionarían los materiales con un número cada vez mayor de estos tubos milagrosos dentro de ellos, fueron aclamados como la próxima revolución de la ciencia de los materiales que cambiaría los materiales y los productos que fabricaban para siempre. Lo inimaginable se haría posible: Los chalecos antibalísticos delgados como el papel, los fuselajes súper livianos e incluso los ascensores espaciales se volverían factibles con las increíbles propiedades de los CNTs.  

Sin embargo, a pesar de que los CNTs realmente tienen estas y muchas más propiedades sorprendentes, no se lanzaron materiales sensacionales cargados de CNT en 1991 — o desde entonces. Y hay una buena razón para ello.

El principal reto con los CNTs es que cuando se fabrican, se aglomeran (o agrupan) en bolas de millones y, a veces, miles de millones de tubos. Y a pesar de que hay tantos CNTs en estos grupos, esta aglomeración demuestra su ruina. Los CNTs agrupados no solo evitan que sus propiedades únicas se transfieran a un sistema receptor, sino que también terminan siendo perjudiciales para el sistema receptor.

Esta paradoja de “muchos es genial, excepto cuando están agrupados” tiene más sentido cuando consideramos una aplicación similar en concreto. El concreto por sí solo es un material fuerte, pero cuando se agregan varillas de refuerzo, la resistencia a la tracción aumenta significativamente. El concreto reforzado con varillas de refuerzo es mucho más capaz de resistir el agrietamiento y la rotura bajo tensión. Sin embargo, si toma esa varilla de refuerzo y la aglomera en una masa aglomerada antes de colocarla en el concreto, no ayudaría al concreto en absoluto. En cambio, sería perjudicial.

Y eso es lo que salió mal con los CNTs. En su estado natural, los CNTs se aglomeran. El agregar CNTs aglomerados resultó perjudicial para los materiales, al igual que un grupo de varillas de refuerzo sería perjudicial para el concreto. Los CNTs aglomerados son lo que impidió el lanzamiento de líneas cargadas de CNTs de productos mejorados en los años 90 y desde entonces.

Solución de CNTs = dCNTs

Si los CNTs agrupados son el problema, ¿cuál es la solución?

Para evitar la introducción de perjuicios en los materiales debido a la naturaleza agrupada de los CNTs, los CNTs deben hacerse discretos. La obtención de CNTs requiere nano-ingeniería — cambiar las propiedades de los materiales a nivel nano-métrico.

La patentada tecnología de Mechnano desenreda y separa los CNTs, luego los dispersa a través de los materiales de manufactura aditiva (AM) sin que se vuelvan a agrupar.

Los CNTs discretos, funcionalizados y dispersos resultantes son llamados dCNTs y se pueden personalizar a los requerimientos específicos del sistema seleccionado para ofrecer un rendimiento previamente inalcanzable. Mechnano puede funcionalizar los dCNTs para una sola mejora de propiedad en un material o varios.

Mechnano ha demostrado resultados impresionantes en numerosos proyectos de desarrollo de materiales AM, incluyendo:

• 200% de aumento en la dureza

• 850% de aumento en la resistencia al desgarre

• Longevidad mejorada de la parte

• Propiedades ESD adquiridas

Los dCNTs superan significativamente a los CNTs estándar en una variedad de materiales. Los CNTs estándar se aglomeran (agrupan) y, en este estado agrupado, no transfieren sus beneficiosas propiedades  al sistema receptor.

Los esfuerzos para romper los paquetes han resultado en “cuerdas”. Y aunque su forma pueda parecer más beneficiosa que la de una bola aglomerada, estas cuerdas siguen estando compuestas por cientos de miles de tubos. Las cuerdas pueden alcanzar una clasificación de ESD amplia en piezas AM, pero no están completamente dispersas en el sistema. Esto significa que el polímero tendrá un espacio en blanco donde solo hay polímero aislante frente a CNTs para disipar la estática, lo que resulta en una falla de ESD. Alternativamente, si una fuente eléctrica golpea una cuerda directamente, esta masa de CNT actuará como un “pararrayos”, lo que provocará un comportamiento conductivo contra disipativo y, con frecuencia, perforará la superficie de la parte. Ya que los CNTs no transfieren sus propiedades mecánicas cuando se agrupan, incluso si ese grupo es una cuerda, estas cuerdas también serán un punto de introducción de fallas mecánicas en la parte impresa también.

Para obtener el beneficio de los CNTs, deben ser discretos y estar completamente dispersos en el polímero. Una vez que se logre esto, las partes no tendrán espacios en blanco aislantes para bloquear la disipación estática, ni cuerdas que actúen como pararrayos, ni paquetes de CNTs que introduzcan fallas mecánicas.

Los dCNTs garantizan características totalmente discretas y dispersas para proporcionar la clasificación ESD exacta seleccionada para el polímero, a la vez que logran impresionantes mejoras mecánicas (contra la degradación) en la parte. Todo esto se logra con 20 veces menos tubos que los CNTs normales para lograr una parte con capacidad para ESD.

Mientras que las cuerdas y los CNTs agrupados exhiben una pérdida de rendimiento en áreas críticas como la resistencia a la tracción y la resistencia al impacto, los dCNTs demuestran mejoras. Las pruebas mecánicas han demostrado que simplemente reemplazar los CNTs normales con dCNTs en sistemas de polímeros duplica el rendimiento mecánico.

dCNTs Proporciona Grandes Mejoras

La práctica común en el desarrollo de materiales es encontrar formas de ampliar los límites de las capacidades de los materiales. Esto se logra mediante la combinación de productos químicos, el aumento del peso molecular de las especies, la adición de nano-materiales vírgenes o el agregar fibras para una resistencia unidireccional.

El enfoque de Mechnano para el desarrollo de materiales difiere de estas prácticas comunes. Mediante el uso de nano-ingeniería para purificar, oxidar y funcionalizar nanotubos de carbono seleccionados para que coincidan con las características termodinámicas, químicas y de otro tipo del sistema del polímero base, Mechnano puede cambiar el nano-material a nivel molecular para cumplir con los requerimientos de mejora de propiedades en todas las dimensiones.

Los resultados son nanotubos de carbono discretos nuevos, únicos y excepcionales funcionalizados para mejorar exponencialmente las propiedades del material AM. Con los dCNTs, Mechnano introduce nuevas propiedades de materiales en materiales existentes de formas que antes eran impensables

Ejemplos de proyectos actuales y las ganancias de rendimiento logradas se incluyen los siguientes:

• 60% de mejora en el Módulo de flexión en termoplástico de policarbonato extruido

• Aumento de 3 veces a la resistencia al impacto en un termoestable foto-polimerizado rígido VAT

• Ganancias de resistencia al desgarre de 100 veces en una resina elastomérica inyectada

• Se observa mejora en la longevidad de la parte

• Propiedades conductivas y disipadoras de estática introducidas en polímeros aislantes

• Volumen consistente y resistividad superficial a través de toda la pieza, ajustable a las especificaciones deseadas

Los dCNTs son únicos en el sentido de que pueden aportar una propiedad deseada a un sistema, a la vez que aumentan varias otras propiedades clave en lugar de degradarlas. Un gran ejemplo de esto es la Formula1, el primer fotopolímero ESD VAT que utiliza dCNTs. Este material se funcionalizó específicamente para lograr un rendimiento de disipación de estática — logrando 10^7 Ohms en su resistividad superficial y volumétrica en todas las partes, independientemente del tamaño. 

A pesar del enfoque de nano ingeniería en ESD, se lograron otras ganancias importantes sobre el polímero base, incluyendo:

• Impacto +60%

• Módulo Young +30%

• Límite Elástico +20%

• UTS +8%

• ESD obtenido

• Sin desprendimiento de carbón

¿Es normal esta multiplicidad de beneficios? Ciertamente no hasta que Mechnano resolvió el problema de los CNTs. Anteriormente, los desarrolladores de materiales solían recurrir al carbón negro (CB) para usarlo como relleno para obtener propiedades de ESD en un material. Pero el alto requerimiento de carga de CB para ESD dio como resultado una pieza con menor resistencia a la tracción, módulo Young, resistencia al impacto, límite elástico y desprendimiento de carbono.

Los dCNTs están demostrando que el sensacionalismo de los 90 estaba justificado. Los CNTs solo necesitaban ser discretos para ofrecer todas esas ganancias prometidas. Los dCNTs están haciendo realidad esas promesas.

Descripción General de la Compañía

Mechnano es la primer compañía en fabricar piezas con dCNTs utilizando sistemas de foto-polimerización vat. El dCNT de la compañía permite mejoras exponenciales de casi todos los tipos de materiales AM con propiedades que antes se creían imposibles. Los dCNTs permiten mejoras en áreas como la disipación estática, el impacto, la resistencia al desgarre y la tracción. Con sede en Arizona, esta empresa estadounidense está respaldada por más de una década de investigación y desarrollo y protegida por más de 120 patentes emitidas y pendientes.

Mechnano produce lotes maestros utilizando dCNTs, que permiten a los formuladores crear resinas de alto rendimiento. Los materiales fabricados con el lote maestro E35A de Mechnano tienen excelentes propiedades mecánicas y tienen una ESD de 107 Ω, lo cual es el rango ideal de disipación de estática para partes que entran en contacto con electrónica sensible.

Mechnano también produce dos resinas rígidas ESD de marca blanca, Formula1 (con clasificación HDT de 91°C) y C-Lite (una resina asociada con Tethon3D que tiene una clasificación HDT de 250°C), además del lote maestro E35A. Los OEM de foto-polimerización vat pueden usar E35A para fabricar sus propias resinas ESD para cumplir con los requerimientos de sus clientes, así como para la marca blanca y vender Formula1 y C-Lite a sus clientes.

La siguiente tabla se tomó de la hoja de datos técnicos (TDS) de Formula1 — una resina rígida negra que produce un acabado de superficie suave — como una ilustración del fuerte rendimiento mecánico que pueden lograr las resinas ESD con dCNTs. A pesar de estar funcionalizado específicamente como una resina ESD, la adición de dCNTs mejoró las propiedades mecánicas en comparación con la fórmula de referencia.

Los clientes OEM que deseen ahorrar tiempo y dinero en comparación con las alternativas ESD maquinadas se beneficiarán enormemente de las soluciones basadas en dCNT, que producen partes ESD sólidas y con características finas.

Ya sea que esté listo para comprar lotes maestros o resinas mejoradas con los dCNTs de Mechnano, o si tiene preguntas sobre otras aplicaciones de dCNT, contacte hoy a Mechnano en mechnano.com

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