在PLA、GNP和MWCNT的基础上获得用于FDM 3D打印机的单填料和双填料丝材的工艺方案

来自世界各地的研究人员聚集在一起，进一步研究3D打印中的材料科学，他们的研究结果最近发表在'聚乳酸 /石墨烯/ 多壁碳纳米管复合材料中，具有改进的电学和热学性能，适用于FDM 3D打印应用。'虽然有可能 作为目前可用于3D打印的各种不同聚合物材料，聚乳酸（PLA）由于其天然品质（基于植物），生物降解性和其生物可吸收性质而是优选的介质。

许多用户认为PLA是“更环保”的选择，而如今非常需要在各种应用中进行制造，包括：

•包装

•制药

•纺织品

•工程

•汽车

•生物医学

•组织工程

“3D打印很有前景。”作者说，“但是，必须改进其机械性能以及电气和热性能，以扩大应用领域。”

使用纳米填料来增强PLA的性质是常见的，使其具有更高的机械强度，从而具有更好的导电性、稳定性和生物活性。使用碳纳米管（CNT）和石墨烯都具有良好的结果，因为它们显示出调节关键性能以获得更高性能的能力；事实上，CNT提供了许多好处，特别是在增加稳定性方面，无论是机械、电、热还是化学方面，显然使它们成为多功能材料的候选者。我们希望指出碳纳米管会造成严重的健康风险，吸入碳纳米管产生的烟雾可能会导致癌症。

含有石墨烯的聚合物复合材料还增加尺寸稳定性，防止发生微裂纹，并改善基质聚合物上方的阻挡层。

“最近，石墨烯和功能化石墨烯被用于含有不同填料的复合材料中，填料的组合在机械性能、导热性和导电性以及超级电容方面表现出协同效应。”研究人员表示，“人们发现将两种纳米填料（如碳纳米管和石墨烯）结合在一起可以形成两种填料的共同支撑网络。”

在3D打印中，这些类型的材料提供更好的强度和导电性，以及改善的可打印性，并且通常通过溶液混合、熔融共混或原位聚合添加到聚合物基质中。所用材料如下：

工业石墨烯纳米板，GNP（中国成都Timenano公司提供），纯度90 wt.%；层数<30；厚度<30 nm；直径/中位数5–7μm；长宽比：~230/165，比表面积m2/g:1.42 m2/g，以及工业级OH功能化碳纳米管（多壁碳纳米管）（MWCNT）（Timenano，采用化学气相沉积法生产），纯度95 wt.%oh，含量2.48%；尺寸（外部d=10-30 nm，内部d=5-10 nm，长度=10-30μm）；长宽比：~1000；比表面积110 m2/g；密度2.1 g/cm3；电导率s=100 s/cm。

作者报道，当使用最大量的填料含量（6 wt.%）时，与纯PLA相比，单填料体系的电导率增加了近7-8倍；然而，PLA / MWCNT复合材料的效果更明显。具有PLA / MWCNT / GNP的双填料复合物由于协同效应也显示出导电性，并且这些值高于单填料体系的那些值。

单填料复合材料的低温断裂表面的扫描电子显微镜（SEM）图像，其含有（a））6 wt.%的多壁碳纳米管（MWCNT）和（b）6 wt.%的石墨烯纳米片（GNP）和双填料复合材料，分别含有（c）1.5％GNP / 1.5％MWCNT和（d）3％GNP / 3％MWCNT，放大倍数为20,000倍。

“由于石墨烯具有非凡的导热性能及其在热管理应用中的潜力，所以获得的PLA / GNP复合材料的热传递是一个蓬勃发展的研究领域。所获得的复合材料可被认为是一种优良的导电和导热材料，适用于各种应用。”作者总结道。

两种（PLA / GNP和PLA / MWCNT）和双填料（PLA / GNP / MWCNT）复合材料的导热率和热扩散率与GNP和MWCNT填料含量的比较

PLA是3D打印中最常用和最通用的材料之一，通常比其他聚合物如ABS更受欢迎，因为它是基于植物的并且被认为是可生物降解的（PLA的大多数变体不可堆肥）。研究人员围绕其用途进行了大量研究，包括PLA再生形式的有效性，新的丝材配方，以及卫星天线等应用的创新。