Manufatura aditiva por robocasting de estruturas em pilares de biocompósitos piezoelétricos para geração sustentável de energia

Abstract

A crescente procura pela energia em vários setores e as preocupações com o impacto ambiental, tornou necessário o desenvolvimento de processos de geração de energia mais eficiente e sustentável. As novas tecnologias autossustentáveis e limpas baseadas em piezoeletricidade têm grande potencial para geração de energia. Neste contexto, o presente trabalho visa obter um gerador piezoelétrico sustentável para diferentes propósitos. Para isto, foi desenvolvido um código-G para permitir a impressão por manufatura aditiva usando a técnica de robocasting, de uma estrutura biocompósita em pilares para estudar o efeito desta geometria no desempenho piezoelétrico do material. Após a obtenção do código e da sua validação com pastas já bem estudadas de ZrO2 e alumina, fez-se o estudo da impressão de duas formulações compósitas formadas por partículas de titanato de bário (BaTiO3) em duas matrizes biopoliméricas biodegradáveis de ácido poli-lático (PLA) ou, de quitosana (CS). A estrutura de micropilares da solução de CS-BaTiO3 foi rapidamente solidificada no processo de robocasting sob banho de gelo-seco, acetona e nitrogénio líquido e subsequentemente liofilizado para manter a forma e a estrutura vertical do compósito. A caraterização estrutural foi realizada por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), espectroscopia de infravermelho (FTIR), análises termogravimétricas (TG), difração de raio-X (XRD) e espectroscopia de Raman, que permitiu verificar e confirmar a cristalografia tetragonal e morfologia isotrópica-cúbica uniforme de BaTiO3, com tamanho médio de 380 nm ± 74 em todas amostras de PLA-BaTiO3 e CS - BaTiO3. As micrografias de SEM, revelaram a distribuição aleatória das partículas de BaTiO3 e alta porosidade da amostra de CS-BaTiO3 devido a processo de congelação - sublimação. A microscopia de força atómica de piezoresposta (PFM) confirmou a presença de domínios piezoelétricos no compósito com PLA maioritariamente resultantes da presença das partículas de BaTiO3. No caso do compósito com CS após a impressão pela técnica de robocasting, congelação e liofilização verificou-se que a resposta piezoelétrica era mais global não sendo claro a presença de domínios correspondentes à presença de partículas. Os presentes resultados mostram que o robocasting e a possibilidade de modificar geometrias de compósitos poderá ser uma alternativa eficaz e versátil para a conceção de uma nova geração de geradores de energia piezoelétricos.

The growing demand for energy in several sectors and concerns about the environmental impact of electricity generation processes have made more efficient and sustainable generation. New self-sustainable and clean technologies based in piezoelectric have high potential for energy generation. In this context, the present work aims to obtain a sustainable piezoelectric generator for different purposes. A G code was developed to allow printing by additive manufacturing using the robocasting technique, of a biocomposite structure on pillars to study the effect of this geometry on the piezoelectric performance of the material. The validation of the code was performed using well known pastes of ZrO2 and alumina, Then, the robocasting of two formulations formed by particles of barium titanate (BaTiO3) in two biopolymeric biodegradable matrices of poly-lactic acid (PLA) or chitosan (CS). In the micro pillar structure, the CS-BaTiO3 formulation was quickly frozen and freeze dried to keep the 3D structure. The structural characterization was carried out by means of scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TG), X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy, which allows to verify and confirm tetragonal phase and the uniform isotropic-cubic morphology of BaTiO3, with a mean size of 380 nm ± 74 in all samples of PLA-BaTiO3 and CS-BaTiO3. SEM micrographs reveal the random distribution of BaTiO3 particles and high porosity of CS-BaTiO3 sample due to the freezing and sublimation process. The piezoresponse force microscopy (PFM) confirmed the presence of piezoelectric domains in the PLA composite mostly resulting from the presence of BaTiO3 particles. In the case of the composite with CS, the use of freezing and lyophilization technique led to switchable piezoelectric response global response. These results show that robocasting and the possibility of modifying composite geometries could be an effective and versatile alternative for the creation of a new generation of piezoelectric power generators.