The Pyrolysis of 3D-Printed Polymers

Abstract

Trender innen modellering av gassdiffusjonslag for bruk i brenselceller, peker på et potensiale for at ytelsen til eksisterende brenselcelle-teknologi kan økes med et strukturert gassdiffusjonslag. Dette har skapt et behov for predefinerte multiskala karbonstrukturer med geometrier i millimeterskala. En aromatisk polymer har blitt undersøkt i temperaturområdet 20 – 1000 °C ved bruk av; termogravemetri, differensialtermisk-analyse, Fourier transform infrarød spektroskopi og mikroskopi. Resultatene støtter teorien om at en begrenset massetransport kan modelleres med en diffusjonsprosess. Det er utviklet et temperaturprogram som er i stand til å pyrolysere 3D-printede strukturer, med opp til millimeter tykkelse. Den elektriske konduktiviteten til karbonstrukturene er undersøkt, og et mulig temperaturprogram for å produsere stabile karbonstrukturer er foreslått. Den dominerende kinetikken for prosessen diskuteres. Det er lagt fram en mulig grunnleggende modell for prosessen, basert på diffusjon og reaksjonskinetikk.

The recent developments in the modeling of fuel cell gas diffusion layers, point to structured gas diffusion layers being a potential improvement on existing fuel cell design. This has created the need for pre-defined multi-scale carbon structures with features in the millimeter scale. An aromatic polymer was investigated in the temperature range 20 – 1000 °C using thermogravimetry, differential scanning calorimetry, Fourier transform infrared spectroscopy, and microscopy. The obtained results support a transport limited process that can be modeled using diffusion kinetics. A temperature program capable of pyrolyzing 3D-printed structures, with mm-scale thickness, has been developed. The conductivity of the obtained structures is determined, and a temperature program to produce stable structures is proposed. The kinetics dominating the process are discussed, and a potential fundamental model for the process is proposed using diffusion and reaction kinetics.