Stoßmodifizierter Polyamid 11/Kohlenstoffnanoröhren 3D-Druck und potenzielle Verbesserung der Zähigkeit in faserverstärkten Polymeren

Das Fused Filament Fabrication (FFF) von teilkristallinen Polymeren wie Polyamid 11 (PA11) gestaltet sich aufgrund signifikanter Schrumpfung während der Abkühlung als herausfordernd. Dieses Problem lässt sich durch die Mischung des Polymers mit chemisch kompatiblen Additiven mindern, welche dessen rheologische, thermische und mechanische Eigenschaften verändern und somit die Verarbeitbarkeit verbessern. In dieser Studie demonstrieren wir die erfolgreiche FFF-Druckbarkeit von PA11-Filamenten, die mit einem Ethylen–Acryssäure-Copolymer graftiert mit Maleinsäureanhydrid (EAA-g-MAH) als Stoßmodifikator modifiziert wurden. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) wurden eingearbeitet, um den durch die Zugabe der EAA-g-MAH-Verbindung bedingten Verlust an Steifigkeit auszugleichen. Bulk-Compounds wurden durch Schmelzkompatibilisierung und Kompressionsformung hergestellt und charakterisiert, wobei sich zeigte, dass die Zugabe von 20 Gew.-% EAA-g-MAH die spezifische Stoßenergie von PA11 um 282 % erhöhte. Zwei optimierte stoßmodifizierte PA11-Formulierungen – mit und ohne CNTs – wurden anschließend zu Filamenten extrudiert und erstmals erfolgreich mittels FFF 3D-gedruckt. Mechanische Tests zeigten erhebliche Verbesserungen der Duktilität bei den 3D-gedruckten Proben mit Steigerungen von bis zu 56 % bei unverstärktem PA11 und 105 % bei CNT-verstärktem PA11 im Vergleich zu ihren Bulk-Pendants. Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten, zähe Polymere direkt auf verstärkende Fasern zu drucken, um selbstheilende Verbundwerkstoffe zu schaffen. Zudem wurde eine starke Grenzflächenhaftung zwischen Glasfasern und dem gedruckten CNT-verstärkten PA11 erzielt, was auf eine potenzielle Erhöhung der interlaminaren Zähigkeit in faserverstärkten Polymeren (FRPs) hinweist. Diese multifunktionalen, mittels FFF verarbeitbaren Materialien stellen einen vielversprechenden Schritt in Richtung der Entwicklung intelligenter, selbstheilender Strukturverbundstoffe dar.