Development of polymer nanocomposites with improved mechanical and functional properties via stereolithography technique

Abstract

Stereolitografi (SLA), ultraviyole (UV) ışık ile kürlenebilen reçinelerin kat kat kürlenerek ürünün oluşturulduğu bir eklemeli imalat yöntemidir ve son zamanlarda yüksek üretim hızı ve üretilen parçalardaki netlik nedeniyle ilgi görmektedir. Üretim sırasında oluşan tekrarlayan mikroyapılar ve kürlenmenin noktasal olarak kontrol ediliyor olması, malzeme geliştirilmesi için hızlı ve güvenilir veriler sağlamaktadır. Ayrıca, reçinelerin içerisine nanopartiküllerin eklenmesi ile nanokompozit ürünlerin üretimi de hızlı bir şekilde yapılabilmektedir. Farklı nanopartiküllerin eklenmesi ile reçine özellikleri modifiye edilerek, ürün özellikleri geliştirilebilmekte, ürünlere fonksiyonel özellikler kazandırılabilmektedir. Bu çalışmada, Silika (SiO2), Alümina (Al2O3), Bor Karbür (B4C), Silikon Karbür (SiC) ve Gümüş Nitrat (AgNO3), UV ışıkla kürlenebilen reçinelerin içerisine eklenerek nanokompozit ürünler üretilmiştir. Kompozit reçinelerin işlenebilirliği ve elde edilen nanokompozit numunelerin özellikleri değerlendirilmiştir. Karakterizasyon için Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), UV-Görünür Işık Spektroskopisi (UV-Vis), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDX), Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) kullanılmıştır. Mekanik özellikleri belirlemek için çekme ve eğme testleri yapılmıştır. Gümüş nanopartiküller içeren kompozit numunelerin antibakteriyel özellikleri belirlenmiştir. Reçine içerisine Al2O3, SiO2 nanopartikülleri ve AgNO3 eklendiği zaman üretim sorunsuz bir şekilde yapılabilmiştir. Nanopartiküllerin eklenmesi sonucunda mekanik özelliklerde artış gözlenmiştir. Proses esnasında uygulanan UV ışık etkisi ile gümüş nitrat tuzlarından gümüş nanopartiküller sentezlenmiştir. Gümüş nanopartikülleri içeren numuneler antibakteriyel özellik göstermektedirler. Bu çalışma, SLA tekniği ile üretimde, reçine içerisine farklı nanopartiküllerin eklenmesi ile ürün özelliklerinin geliştirilebildiğini ve ürünlere fonksiyonel özellikler kazandırılabildiğini göstermiştir.Stereolithography (SLA) is an additive manufacturing technique that is based on the layer-by-layer curing of resins by UV light and attracts attention due to its high manufacturing speed and precision achieved during photocurable resin processing. The repetitive microstructures, which form during SLA printing, and locally controlled resin curing allow for quick and repeatable data generation for material development. Additionally, it offers a fast and reliable way for assessing the integrability of nanoparticles into photocurable resins. Nanoparticles offer many benefits for polymers by improving their properties and imparting functional properties. In this study, SLA is used to manufacture composite laminates containing different types of nanoparticles. Silica (SiO2), Alumina (Al2O3), Boron Carbide (B4C), Silicon Carbide (SiC) and silver nitrate (AgNO3) were used as additives and incorporated into rigid and tough photocurable resins. The processability of the composite resins and properties of the nanocomposite specimens were assessed. Fourier-transform Infrared Spectroscopy (FTIR), UV-Visible Spectroscopy (UV-Vis), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX), Differential Scanning Calorimetry (DSC) were used for characterization. Tensile and bending tests were conducted to determine the mechanical properties. Composite specimens containing silver nanoparticles were tested for antibacterial activity. The addition of Al2O3, SiO2 nanoparticles and AgNO3 into the resins allowed fast and reliable printing. The mechanical properties were improved by the addition of nanoparticles. In-situ synthesis of silver nanoparticles was achieved during printing without any additional treatments. The nanocomposite specimens containing silver nanoparticles displayed antibacterial properties. This study showed the potential of SLA technique for production of polymer nanocomposites with customizable properties.