Atomistic explorations of mechanisms dictating the shear thinning behavior and 3D printability of graphene flake infused epoxy inks

文献情報

出版日 2021-10-28
DOI 10.1039/D1CP02321G
インパクトファクター 3.676
著者

Bhargav Sai Chava, Eva K. Thorn, Siddhartha Das


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要旨

Nanofiller-based epoxy inks have found extensive use in fabricating 3D printed nanocomposites for applications in aerospace, automobile, and marine systems. In this paper, we employ an all-atom molecular dynamic (MD) simulation to atomistically explore the mechanisms dictating the shear-thinning behavior of the graphene flake-infused (GFI) epoxy inks. We compare our findings with those for pure epoxy inks: non-equilibrium MD (NEMD) simulations reveal that both the GFI epoxy ink and pure epoxy ink demonstrate shear thinning behavior, i.e., their viscosities decrease with an increase in the shear rate. However, interestingly, the viscosity of the GFI epoxy ink is larger than that of pure epoxy for smaller shear rates, while for higher shear rates, the viscosities of these two materials are similar. This indicates a much more favorable viscosity profile for the GFI epoxy inks in the context of 3D printing. From the context of exploring the nanoscale mechanism, we identify the tendency of the bisphenol F molecules (the key constituent of the epoxy inks) and the graphene flakes (for the case of GFI epoxy inks) to align along the shear planes (in the presence of a shear flow) allowing the dissipation of viscous force among them ensuring shear-thinning behavior for both pure epoxy and GFI epoxy inks. In this context, we also identify that the bisphenol F chains prefer to localize along a given shear plane to reduce the effect of tension forces: such an alignment ensures that the radius of gyration for the bisphenol F molecules (for both pure epoxy and GFI epoxy inks) is larger for the case of finite shear and has a non-monotonic variation with the shear rate. Finally, the equilibrium MD (EMD) simulations establish that the presence of the graphene flakes significantly slows down the rotational dynamics of the bisphenol F molecules that are adsorbed to these graphene flakes and, as a result, causes the zero-shear viscosity of the GFI epoxy to be three orders of magnitude larger than that of the pure epoxy. This difference provides a qualitative justification of the viscosity of the GFI epoxy being larger than that of pure epoxy at smaller shear rate values.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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