Un nuevo tipo de impresión 3D desarrollada por investigadores de Penn State hará posible por primera vez crear rápidamente prototipos y probar membranas de polímeros diseñadas para mejorar el rendimiento.
Las membranas de intercambio iónico se utilizan en muchos tipos de aplicaciones de energía, como pilas de combustible y ciertas baterías, así como en la purificación de agua, desalinización, eliminación de metales pesados y procesamiento de alimentos. La mayoría de las membranas de intercambio iónico son láminas delgadas y planas similares ala envoltura de plástico en el cajón de la cocina. Sin embargo, el trabajo reciente ha demostrado que al crear patrones 3D sobre la superficie de la membrana 2D, surgen interesantes propiedades hidrodinámicas que pueden mejorar el transporte de iones o mitigar la suciedad, un problema grave en muchas aplicaciones de membrana.
Actualmente, la fabricación de estas membranas estampadas, también llamadas membranas perfiladas, implica un proceso laborioso de grabar un molde de silicio con el patrón deseado, verter el polímero y esperar hasta que se endurezca. El proceso es lento y costoso, y resultaen un solo tipo de patrón
"Pensamos que si podíamos usar la impresión 3D para fabricar nuestras membranas de intercambio iónico sintetizadas a medida, podríamos hacer cualquier tipo de patrón y podríamos hacerlo rápidamente", dice Michael Hickner, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State.
En un artículo publicado en línea hoy en la revista de la American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados por ACS , el equipo de Hickner describe el desarrollo de un proceso de impresión fotolitográfica 3D personalizado similar en concepto a un proceso 3D actual llamado estereolitografía. El equipo desarrolló una mezcla fotocurable de polímeros iónicos y expuso la mezcla bajo un proyector de luz para endurecer la capa base.luego agregó más polímero a la capa base y proyectó un patrón en el nuevo material para endurecer selectivamente la superficie. El patrón de la superficie aumenta la conductividad de la membrana hasta en un factor de dos o tres.
"Las membranas actúan como una resistencia en una batería o pila de combustible", dice Hickner. "Si puede reducir la resistencia en un factor de dos o tres, realmente tiene algo útil".
Jiho Seo, autor principal y candidato a doctorado en ciencias de los materiales e ingeniería, agregó: "Si bien las membranas con diseño de superficie se han estudiado anteriormente, este es el primer ejemplo impreso en 3D de estas estructuras y el primer modelo que realmente explica elLa resistencia disminuye de forma cuantitativa. Un modelo simple de resistencia paralela describe el efecto del patrón en la disminución de la resistencia de estas nuevas membranas. Esta información nos brinda una herramienta de diseño para continuar innovando y crear nuevos patrones para mejoras adicionales junto con el cambio de la intrínsecaquímica del material "
El equipo continuará optimizando la geometría y la química de las membranas que imprimen, así como también aprenderá a imprimir nuevos materiales, tanto para membranas como más allá, que nunca antes se han impreso.
"Queremos unir la química fundamental y la ciencia de los materiales que hacemos con las iteraciones de ingeniería y diseño rápido en las que la industria de la impresión 3D es realmente buena", concluye Hickner.
Además de Seo y Hickner, Douglas Kushner, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales, contribuyó al artículo titulado "Impresión 3D de membranas de intercambio de aniones con micro-patrones".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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