Nanocellulose verbessert 3D-Druck von Kohlenstoff-Nanoröhrchen für Wearable Electronics

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Wissenschaftler der University of Maryland in den USA haben Nanocellulose mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen kombiniert, um mittels 3D-Druckverfahren leitfähige Mikrofasern für Wearable Electronics herzustellen.

Ein Team unter der Leitung von Associate Professor Liangbing Hu vom Energy Research Center hat den 3D-Druck von Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch die Zugabe von nanofibrillierter Cellulose deutlich verbessern können. Die Kombination ermöglichte es Mikrofasern mit hoher elektrischer Leitfähiger sowie mechanischer Festigkeit herzustellen. Die Methode könnte zukünftig zur Fertigung von tragbarer Elektronik mit hoher Leistung bei gleichzeitig geringen Kosten führen.

„Konventionelle Methoden zum Verteilen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in wässriger Lösung sind mit kovalenten Modifikationen der Oberfläche und organischen Tensiden verbunden,“ erklärt Hu. „Dies führt entweder zu niedriger mechanischer Festigkeit oder schlechter Leitfähigkeit. Wir haben Nanocellulose-Partikel verwendet, sowohl als Dispersionsmittel für die Nanoröhrchen als auch zur Verstärkung der Verbundfasern.“

Durch den mit dem Material deutlich schnelleren und skalierbaren 3D-Druck der Mikrofasern können die Kosten für die Herstellung von Batterien oder Kondensatoren für tragbare Geräte deutlich gesenkt werden.

Laut Yuanyuan Li, Erstautor der Publikation mit dem Titel Cellulose-Nanofiber-Enabled 3D Printing of a Carbon-Nanotube Microfiber Network„, hat Cellulose gegenüber anderen Dispersionen folgende Vorteile:

„Erstens kann nanofibrillierte Cellulose (NFC) aus günstigen und reichlich vorhandenen Ressourcen wie Holz, Baumwolle und Weizenstroh gewonnen werden. Zudem ist das Material bioaktiv da NFC biokompatibel ist und organische Lösungsmittel vermieden werden. Dies macht die Dispersion für Anwendungen in der Biowissenschaft einsetzbar und auch die Entsorgung ist unkompliziert.

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Zweitens basiert die Verteilung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen hauptsächlich auf Absorbierung, Umhüllung und Fluktuation von Gegenionen zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhrchen und der Cellulose. Somit bleibt die elektronische Struktur und Leitfähigkeit individueller Nanoröhrchen erhalten im Vergleich zur Dispersion bei chemischer Modifizierung. Weiters ist die in der Dispersion verbleibende NFC ein ausgezeichneter Grundstoff für starke, leichte Verbundstoffe mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen.“

Bei ihren Versuchen haben die Forscher die wässrige Dispersion in ein Bad aus Ethanol extrudiert, wo durch einen Lösungsmittelaustausch stabile Gelfasern geformt wurden. Diese Gelfasern wurden danach unter Spannung bei Raumtemperatur getrocknet. Durch die Scherkraft während der Extrusion sowie die Spannung in der Trockenphase haben sich die Bestandteile entlang der Faserlänge ausgerichtet.

„Durch die deutliche Verbesserung der Druckbarkeit sowie der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Mikrofasern konnten wir zeigen, dass nanofibrillierte Cellulose ein ausgezeichnetes Material für leistungsstarke Mikrofasern bei Wearable Electronics sind,“ fasst Hu abschließend zusammen.