Flexible and 3D printable conductive composites for pressure sensor applications
Creators: name: Bertolini, Mayara Cristina
Publisher: name: Università degli studi di Trento
Year: 2022
Subjects: subject: electrically conductive polymer composites, melt compounding, 3D printing, FFF, pressure sensor, piezoresistive sensor, piezoelectric properties, beta phase, electromagnetic shielding
subject: electrically conductive polymer composites
subject: melt compounding
subject: 3D printing
subject: FFF
subject: pressure sensor
subject: piezoresistive sensor
subject: piezoelectric properties
subject: beta phase
subject: electromagnetic shielding

description: O objetivo deste estudo foi o desenvolvimento de compósitos poliméricos flexíveis e altamente condutores elétricos preparados por moldagem por compressão e por fabricação de filamentos fundidos (FFF) para possíveis aplicações como materiais piezoresistivos ou piezoelétricos para sensores de compressão. Compósitos baseados em misturas de poli(fluoreto de vinilideno)/poliuretano termoplástico (PVDF/TPU) como matriz e contendo várias frações de negro de fumo-polipirrol (CB-PPy) como aditivo condutor foram preparados. Diversas técnicas de caracterização foram realizadas para avaliar as propriedades mecânicas, térmicas, químicas e elétricas, morfologia e printabilidade dos materiais investigados. Primeiro, blendas de PVDF/TPU com diferentes composições foram produzidas por mistura por fusão seguida de moldagem por compressão. Os resultados mostraram que a flexibilidade desejada para os materiais foi melhorada com a adição de TPU aos compósitos de PVDF. As imagens SEM evidenciaram a obtenção de uma blenda co-contínua com 50/50 vol% de PVDF/TPU. As blendas compostas de PVDF/TPU 38/62 vol% e a blenda co-contínua de PVDF/TPU 50/50 vol% foram selecionadas como matrizes para a preparação de compósitos moldados por compressão e impressos em 3D a fim de alcançar uma ótima combinação entre condutividade, propriedades mecânicas e printabilidade. Várias quantidades de negro de fumo-polipirrol, de 0 a 15%, foram adicionadas às blendas selecionadas para aumentar a condutividade elétrica dos compósitos e possivelmente atuar como agente nucleante para a fase cristalina do PVDF a fim de aumentar sua resposta piezoelétrica. A adição de CB-PPy aumentou a condutividade elétrica de todos os compósitos. No entanto, a condutividade elétrica dos compósitos baseados em blendas co-contínuas PVDF/TPU 50/50 vol% foi maior do que as encontradas para os compósitos de PVDF/TPU 38/62 vol% com mesma concentração de aditivo. De fato, o limiar de percolação elétrico dos compósitos com blenda co-contínua foi de 2%, enquanto o limiar de percolação elétrico dos compósitos compostos da blenda não contínua foi de 5%. Com relação às propriedades mecânicas, a incorporação do aditivo condutor nas blendas resultou em materiais mais rígidos com maior módulo de elasticidade, menor alongamento na ruptura e maior módulo de armazenamento. O módulo de armazenamento (G') e a viscosidade complexa (η*) dos compósitos aumentaram com a adição de CB-PPy. O limiar de percolação reológico foi de 3% para PVDF/TPU/CB-PPy 38/62 vol% e 1% para PVDF/TPU/CB-PPy 50/50 vol%, indicando que uma quantidade maior de carga poderia comprometer a processabilidade dos compósitos. A adição de CB-PPy também resultou na redução dos valores de Tg e Tm dos compósitos devido à redução da mobilidade das cadeias poliméricas. Com base na condutividade elétrica e no comportamento mecânico dos compósitos, três composições diferentes foram selecionadas para a extrusão de filamentos para serem posteriormente utilizados no processo de impressão 3D. No geral, as peças impressas em 3D apresentaram propriedades mecânicas e elétricas inferiores devido à presença de vazios, defeitos e camadas sobrepostas que podem dificultar o fluxo de elétrons. Os valores de condutividade elétrica dos compósitos impressos em 3D de PVDF/TPU/CB-PPy 38/62 vol% contendo 5% e 6% de CB-PPy são de uma a sete ordens de grandeza menores do que os encontrados para os compósitos com a mesma composição moldados por compressão. Mesmo que o valor da condutividade elétrica para o compósito PVDF/TPU 38/62 vol% com 6% de CB-PPy moldado por compressão foi de 1,94x10-1 S•m-1, o compósito impresso em 3D com a mesma composição mostrou um valor muito baixo de condutividade elétrica de 6,01x10-8 S•m-1. Por outro lado, o compósito co-contínuo de PVDF/TPU 50/50 vol% com 10% de aditivo impresso em 3D apresentou um alto valor de condutividade elétrica de 4,14×100 S•m-1 mesmo após o processo de impressão. Além disso, as respostas piezoresistivas dos compósitos foram investigadas. Para os compósitos PVDF/TPU/CB-PPy 38/62 vol%, as amostras moldadas por compressão e impressas em 3D com 5% e 6% de CB-PPy exibiram boa resposta piezoresistiva. No entanto, apenas os compósitos com 6% de aditivo apresentaram valores elevados de sensibilidade e gauge factor, atuação em ampla faixa de pressão e respostas piezoresistivas reprodutíveis durante a aplicação de 100 ciclos de compressão/descompressão para ambos os métodos de fabricação. Por outro lado, para os compósitos co-contínuos de PVDF/TPU/CB-PPy apenas a amostra moldada por compressão com 5% de CB-PPy apresentou respostas piezorresistivas boas e reprodutíveis. A cristalinidade e o teor de fase β do PVDF foram investigados para os compósitos. Embora o grau de cristalinidade das amostras tenha diminuído com a adição de CB-PPy, a porcentagem de fase β no PVDF aumentou. O coeficiente piezoelétrico d33 das amostras aumentou com a porcentagem de fase β. A adição de 6% ou mais de CB-PPy foi necessária para aumentar significativamente o coeficiente piezoelétrico (d33) dos compósitos. O conteúdo de fase β e as respostas piezoelétricas do PVDF foram menores para as amostras preparadas por FFF. Por fim, como pesquisa colateral, a eficiência de blindagem contra interferência eletromagnética (EMI-SE) foi medida para todos os compósitos. Compósitos com maior condutividade elétrica apresentaram melhor blindagem da radiação eletromagnética. Além disso, os compósitos baseados na blenda co-contínua apresentaram maior eficiência de blindagem contra EMI do que os compósitos de PVDF/TPU 38/62 vol%. O principal mecanismo de blindagem foi a absorção para todos os compósitos. As amostras preparadas por FFF apresentaram respostas de EMI-SE menores quando comparadas às amostras moldadas por compressão.