Influenza dei parametri dello strumento sull'attività elettrochimica degli elettrodi termoplastici in carbonio stampati in 3D

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 339 (2023) Citare questo articolo

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La stampa 3D fornisce un approccio affidabile per la produzione di sensori elettrochimici compositi termoplastici in carbonio. Molti studi hanno esplorato l’impatto dei parametri di stampa sull’attività elettrochimica degli elettrodi termoplastici in carbonio, ma si sa poco sull’influenza dei parametri dello strumento, che hanno dimostrato di alterare la struttura e la resistenza meccanica dei materiali termoplastici stampati in 3D. Abbiamo esplorato l'impatto della temperatura dell'estrusore, del diametro dell'ugello e della temperatura del letto riscaldato sull'attività elettrochimica degli elettrodi di nerofumo/acido polilattico (CB/PLA). Le misurazioni della voltammetria ciclica e della spettroscopia di impedenza elettrochimica sono state condotte utilizzando sonde redox standard. La superficie dell'elettrodo e la sezione trasversale dell'elettrodo sono state visualizzate utilizzando la microscopia elettronica a scansione. Abbiamo scoperto che l'utilizzo di temperature dell'estrusore di 230 °C e 240 °C migliorava l'attività elettrochimica degli elettrodi CB/PLA, grazie ad un aumento della ruvidità superficiale e ad una riduzione del numero di vuoti tra gli strati di stampa. Il diametro dell'ugello e la temperatura del letto riscaldato di diverse stampanti 3D non hanno influenzato l'attività elettrochimica degli elettrodi CB/PLA. Tuttavia le stampanti di fascia alta forniscono una migliore riproducibilità dei lotti degli elettrodi. Questi risultati evidenziano i parametri chiave dello strumento che devono essere considerati quando si producono sensori elettrochimici compositi termoplastici in carbonio quando si utilizza la stampa 3D.

La stampa 3D come approccio produttivo ha fornito la possibilità di realizzare sensori elettrochimici durante la produzione di massa in diverse geometrie complesse1,2,3,4,5,6,7,8. Il materiale utilizzato per realizzare gli elettrodi stampati in 3D contiene una percentuale fissa di materiale conduttivo (ad esempio, diverse forme di carbonio) che viene miscelato con un materiale termoplastico non conduttivo come l'acido polilattico (PLA). Pertanto, tutti gli elettrodi stampati in 3D sono elettrodi compositi, dove una frazione dell’elettrodo è conduttiva9,10. Storicamente, gli elettrodi compositi in carbonio presentano un'elevata variabilità dei lotti5,11,12,13,14, a causa delle difficoltà nel realizzare elettrodi uniformi, spesso mediante la produzione umana. Tuttavia, la produzione meccanica di elettrodi mediante la stampa 3D fornisce una maggiore precisione tra lotti di elettrodi e quindi rende questo un approccio adatto per la produzione riproducibile di elettrodi compositi in carbonio11.

Il processo di stampa può influenzare la costruzione della parte stampata e quindi può alterare l'attività elettrochimica dell'elettrodo composito termoplastico di carbonio. La produzione di elettrodi stampati in 3D può essere influenzata dai parametri di stampa e dai parametri dello strumento. I parametri di stampa influenzano la struttura architettonica dell'elettrodo una volta stampato e i parametri dello strumento sono variabili che influenzano l'estrusione del filamento termoplastico di carbonio. Molti studi si sono concentrati sull'esplorazione dell'influenza dei parametri di stampa, dove è stato dimostrato che l'orientamento della stampa, la velocità di stampa e lo spessore dello strato alterano l'attività elettrochimica degli elettrodi conduttivi di carbonio11,15,16,17,18. Nessuno studio ha studiato l’influenza dei parametri dello strumento sull’attività elettrochimica degli elettrodi termoplastici in carbonio stampati in 3D. Tuttavia, gli studi che esplorano l'impatto dei parametri dello strumento sono stati condotti principalmente su materiali termoplastici come PLA19,20,21,22,23,24,25, dove sono state osservate differenze quando si modificava il diametro dell'ugello, il letto riscaldato e la temperatura dell'estrusore. Diversi studi hanno dimostrato che la stampa di parti che utilizzano ugelli di diametro maggiore migliora la resistenza alla trazione delle parti stampate, sebbene non sia linearmente correlato26,27,28. Si presuppone che ciò possa essere dovuto ad un potenziale leggero aumento della larghezza dello strato con l'aumento del diametro dell'ugello. Gli studi hanno anche dimostrato che la resistenza alla trazione delle parti stampate in PLA aumenta all'aumentare della temperatura del letto riscaldato. All'aumentare della temperatura del letto riscaldato si verifica un aumento della dissipazione del calore da uno strato all'altro, che porta al postriscaldamento degli strati già incollati. A causa di questo postriscaldamento degli strati, si verifica una maggiore diffusione di uno strato sullo strato adiacente e quindi migliora la resistenza. Questa adesione migliorata è stata notevolmente aumentata durante la stampa di parti a una temperatura del letto leggermente superiore alla temperatura di transizione vetrosa (Tg) del materiale di stampa28,29,30. Vari studi hanno dimostrato che l’utilizzo di temperature più elevate dell’estrusore ha migliorato le proprietà meccaniche di trazione del PLA e del PLA in fibra di carbonio. Ciò è stato attribuito a una riduzione del numero totale di vuoti presenti tra gli strati di stampa, che migliora il legame tra gli strati20,25,28,31,32,33.