Influência dos parâmetros do instrumento na atividade eletroquímica de eletrodos termoplásticos de carbono impressos em 3D

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 339 (2023) Citar este artigo

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A impressão 3D fornece uma abordagem confiável para a fabricação de sensores eletroquímicos compostos termoplásticos de carbono. Muitos estudos exploraram o impacto dos parâmetros de impressão na atividade eletroquímica dos eletrodos termoplásticos de carbono, mas pouco se sabe sobre a influência dos parâmetros do instrumento, que demonstraram alterar a estrutura e a resistência mecânica dos termoplásticos impressos em 3D. Nós exploramos o impacto da temperatura da extrusora, diâmetro do bocal e temperatura do leito aquecido na atividade eletroquímica de eletrodos de negro de fumo/ácido poliláctico (CB/PLA). Medidas de voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica foram realizadas usando sondas redox padrão. A superfície do eletrodo e a seção transversal do eletrodo foram visualizadas usando microscopia eletrônica de varredura. Descobrimos que o uso de temperaturas de extrusora de 230 °C e 240 °C melhorou a atividade eletroquímica dos eletrodos CB/PLA, devido a um aumento na rugosidade da superfície e uma redução no número de vazios entre as camadas de impressão. O diâmetro do bocal e a temperatura do leito aquecido de diferentes impressoras 3D não afetaram a atividade eletroquímica dos eletrodos CB/PLA. No entanto, as impressoras de ponta fornecem reprodutibilidade de lote aprimorada de eletrodos. Essas descobertas destacam os principais parâmetros do instrumento que precisam ser considerados na fabricação de sensores eletroquímicos compostos termoplásticos de carbono ao usar a impressão 3D.

A impressão 3D como uma abordagem de fabricação forneceu a capacidade de produzir sensores eletroquímicos em produção em massa em geometrias complexas variadas1,2,3,4,5,6,7,8. O material usado para fazer eletrodos impressos em 3D contém uma porcentagem fixa de material condutor (por exemplo, diferentes formas de carbono) que é misturado com um termoplástico não condutor, como o ácido polilático (PLA). Portanto, todos os eletrodos impressos em 3D são eletrodos compostos, onde uma fração do eletrodo é condutiva9,10. Historicamente, os eletrodos compostos de carbono têm alta variabilidade de lote5,11,12,13,14, devido a dificuldades na fabricação de eletrodos uniformes, muitas vezes pelo homem. No entanto, a fabricação mecânica de eletrodos usando impressão 3D fornece maior precisão entre os lotes de eletrodos e, portanto, torna essa abordagem adequada para a fabricação reprodutível de eletrodos de composto de carbono11.

O processo de impressão pode influenciar a construção da peça impressa e, portanto, pode alterar a atividade eletroquímica do eletrodo composto termoplástico de carbono. A fabricação de eletrodos impressos em 3D pode ser influenciada por parâmetros de impressão e parâmetros do instrumento. Os parâmetros de impressão afetam a estrutura arquitetônica do eletrodo quando impresso e os parâmetros do instrumento são variáveis ​​que influenciam a extrusão do filamento termoplástico de carbono. Muitos estudos se concentraram em explorar a influência dos parâmetros de impressão, onde a orientação da impressão, a velocidade de impressão e a espessura da camada alteraram a atividade eletroquímica dos eletrodos condutores de carbono11,15,16,17,18. Nenhum estudo investigou a influência dos parâmetros do instrumento na atividade eletroquímica de eletrodos termoplásticos de carbono impressos em 3D. No entanto, estudos explorando o impacto dos parâmetros do instrumento foram conduzidos principalmente em termoplásticos como o PLA19,20,21,22,23,24,25, onde foram observadas diferenças ao alterar o diâmetro do bocal, leito aquecido e temperatura da extrusora. Vários estudos mostraram que a impressão de peças usando bicos de diâmetros maiores aumentava a resistência à tração das peças impressas, embora não fosse linearmente correlacionada26,27,28. Supõe-se que isso pode ser devido a um pequeno aumento na largura da camada com o aumento do diâmetro do bocal. Estudos também mostraram que a resistência à tração das peças impressas em PLA aumenta à medida que a temperatura do leito aquecido aumenta. À medida que a temperatura do leito aquecido aumenta, há um aumento na dissipação de calor de uma camada para outra, o que leva ao pós-aquecimento das camadas já coladas. Devido a esse pós-aquecimento das camadas, ocorre maior difusão de uma camada para a camada adjacente e, portanto, melhora a resistência. Essa adesão aprimorada foi significativamente aumentada ao imprimir peças em uma temperatura do leito ligeiramente acima da temperatura de transição vítrea (Tg) do material de impressão28,29,30. Vários estudos mostraram que o uso de temperaturas de extrusão mais altas melhorou as propriedades mecânicas de tração do PLA e do PLA de fibra de carbono. Isso foi atribuído a uma redução no número total de vazios presentes entre as camadas de impressão, o que aumenta a ligação intercamadas entre as camadas20,25,28,31,32,33.