Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/40003
Title: Filamentos de base biológica e condutores de eletricidade para impressão 3D de dispositivos eletrónicos flexíveis
Other Titles: Biobased and electrically conductive filaments for 3D printing of flexible electronic devices
Author: Neves, Mariana Andreia Seabra
Advisor: Ferreira, Paula Celeste da Silva
Nunes, Cláudia
Keywords: Dispositivos eletrónicos
Fabricação por filamento fundido
Amido termoplástico
Materiais carbonáceos
Sepiolite
Condutividade elétrica
Propriedades mecânicas
Defense Date: 2023
Abstract: Atualmente, a crescente procura por dispositivos eletrónicos complexos gera desafios na sua produção pelos métodos convencionais. A manufatura aditiva (MA) surge como uma solução, pois permite a produção de formas complexas e personalizáveis. Uma das técnicas mais comuns é a fabricação de filamento fundido (FDM) que consiste na extrusão de um filamento termoplástico e a sua deposição por camadas. Atualmente, muitos dos materiais usados na FDM têm um impacto negativo na saúde e no meio ambiente. Por isso, há um interesse crescente no desenvolvimento de filamentos de base biológica para essa aplicação. O amido termoplástico (TPS) destaca-se como um candidato ideal devido à sua biodegradabilidade, abundância e custo acessível. No entanto apresenta limitações nas propriedades mecânicas e térmicas. Para superá-las, tem sido usada a adição de materiais carbonáceos combinados com argilas, que melhoram a sua dispersão nos biopolímeros. Adicionalmente, estes materiais como têm alta condutividade elétrica permitem adicionar essa funcionalidade. O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um filamento de base biológica com condutividade elétrica e a sua validação na impressão por FDM de um dispositivo eletrónico flexível. Primeiro foi feita a otimização da incorporação do material carbonáceo (nanocompósito de sepiolite e caramelo pirolisado, CarSEP) e dos nanotubos de carbono (NTC) na matriz de amido termoplástico, para obter um filamento com as propriedades mecânicas e térmicas favoráveis à MA. Os resultados da termogravimetria (TG) e dos ensaios mecânicos demonstram o efeito positivo da adição do CarSEP (50%) e dos NTC (10%) na estabilidade térmica e rigidez do filamento. No entanto, a adição dos aditivos não produziu nanocompósitos com elevada condutividade elétrica, indicando que a quantidade adicionada não foi suficiente para atingir o limiar de percolação elétrica, talvez pela fraca adesão interfacial entre os aditivos e a matriz confirmada por SEM. A alteração do processamento do filamento, que consistiu na dispersão por ultrasons dos NTC (funcionalizados com COOH) em maior quantidade de água destilada para a completa gelatinização do amido, melhorou a dispersão dos NTC na matriz, Contudo a condutividade do nanocompósito não aumentou. A capacidade de impressão 3D foi testada para os filamentos desenvolvidos. Em alguns casos, a falta de rigidez dos filamentos impediu a sua extrusão adequada, pois eram danificados na fieira, inviabilizando a formação de estruturas 3D. No entanto foi possível a impressão de um protótipo de dispositivo eletrónico para uma das formulações de amido contendo os aditivos CarSEP e NTC. Neste trabalho foi desenvolvido um compósito com base em amido termoplástico com propriedades adequadas à produção de filamento por extrusão para ser usado no fabrico aditivo por FDM. Contudo, a condutividade elétrica deste compósito ainda necessita ser melhorada para ser usado na produção de dispositivo eletrónicos flexíveis.
Currently, the growing demand for complex electronic devices poses challenges in their production through conventional methods. Additive manufacturing (AM) emerges as a solution because it allows the production of complex and customizable shapes. One of the most common techniques is Fused Deposition Modeling (FDM), which involves the extrusion of a thermoplastic filament and its layer-by-layer deposition. Currently, many of the materials used in FDM have a negative impact on health and the environment. Therefore, there is a growing interest in the development of bio-based filaments for this application. Thermoplastic starch (TPS) stands out as an ideal candidate due to its biodegradability, abundance, and affordable cost. However, it has limitations in mechanical and thermal properties. To overcome these limitations, the addition of carbonaceous materials combined with clays has been used, improving their dispersion in biopolymers. Additionally, these materials, having high electrical conductivity, allow the addition of this functionality. The objective of this work was the development of a bio-based filament with electrical conductivity and its validation in FDM printing of a flexible electronic device. First, the optimization of the incorporation of carbonaceous material (sepiolite and pyrolyzed caramel nanocomposite, CarSEP) and carbon nanotubes (CNT) into the thermoplastic starch matrix was carried out to obtain a filament with mechanical and thermal properties favorable to AM. The results of thermogravimetry (TG) and mechanical tests demonstrate the positive effect of adding CarSEP (50%) and CNT (10%) on the thermal stability and rigidity of the filament. However, the addition of additives did not produce nanocomposites with high electrical conductivity, indicating that the added quantity was not sufficient to reach the electrical percolation threshold, perhaps due to weak interfacial adhesion between additives and the matrix confirmed by SEM. The filament processing alteration, involving ultrasonic dispersion of COOH-functionalized CNT in a larger amount of distilled water for complete starch gelatinization, improved the dispersion of CNT in the matrix. However, the nanocomposite's conductivity did not increase. The 3D printing capability was tested for the developed filaments. In some cases, the lack of filament rigidity hindered proper extrusion, as they were damaged in the nozzle, making the formation of 3D structures unfeasible. However, it was possible to print a prototype of an electronic device for one of the starch formulations containing CarSEP and CNT. In this work, a composite based on thermoplastic starch with properties suitable for extrusion filament production for use in additive manufacturing by FDM was developed. However, the electrical conductivity of this composite still needs improvement to be used in the production of flexible electronic devices.
URI: http://hdl.handle.net/10773/40003
Appears in Collections:UA - Dissertações de mestrado
DEMaC - Dissertações de mestrado

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