Flexible and 3D printable conductive composites for pressure sensor applications

Abstract

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 (?*) 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 ß 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 ß no PVDF aumentou. O coeficiente piezoelétrico d33 das amostras aumentou com a porcentagem de fase ß. A adição de 6% ou mais de CB-PPy foi necessária para aumentar significativamente o coeficiente piezoelétrico (d33) dos compósitos. O conteúdo de fase ß 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.

Abstract: The aim of this study was the development of flexible and highly electrically conductive polymer composites via compression molding and fused filament fabrication for possible applications as piezoresistive or piezoelectric materials for pressure sensors. Composites based on blends of poly(vinylidene fluoride)/thermoplastic polyurethane (PVDF/TPU) as matrix and containing various fractions of carbon black-polypyrrole (CB-PPy) as conductive filler were prepared. Several characterization techniques were performed in order to evaluate the mechanical, thermal, chemical and electrical properties, morphology and printability of the investigated materials. First, PVDF/TPU blends with different compositions were prepared by melt compounding followed by compression molding. The results showed that the flexibility aimed for the final materials was improved with the addition of TPU to PVDF composites. SEM images evidenced the achievement of a co-continuous blend comprising 50/50 vol% of PVDF/TPU. The blends composed of PVDF/TPU 38/62 vol% and the co-continuous blend of PVDF/TPU 50/50 vol% were selected as matrices for the preparation of compression molded and 3D printed composites in order to achieve an optimal compromise between electrical conductivity, mechanical properties and printability. Various amounts of carbon black-polypyrrole, from 0 up to 15%, were added to the selected blends in order to rise the electrical conductivity of the composites and to possible act as nucleating filler for the ß crystalline phase of PVDF in order to increase its piezoelectric response. The addition of CB-PPy increased the electrical conductivity of all composites. However, the electrical conductivity of composites based on PVDF/TPU 50/50 vol% co-continuous blends was higher than those found for PVDF/TPU 38/62 vol% composites at the same filler content. Indeed, the electrical percolation threshold of the conductive co-continuous composite blends was 2%, while the electrical percolation threshold of the composites with the nonco-continuous composite blends was 5%. With respect to the mechanical properties, the incorporation of the filler into the blends leaded to more rigid materials with higher elastic modulus, lower elongation at break and higher storage modulus. The storage modulus (G?) and complex viscosity (?*) of the composites increased with the addition of CB-PPy. The rheological percolation threshold was found to be 3% for PVDF/TPU/CB-PPy 38/62 vol% and 1% for PVDF/TPU/CB-PPy 50/50 vol%, indicating that higher amount of filler could compromise the processability of the composites. The addition of CB-PPy also resulted in a reduction on the Tg and Tm values of the composites due to the reduction of the mobility of the polymeric chains. Based on the electrical conductivity and mechanical behavior of the composites, three different compositions were selected for the extrusion of filaments to be used in a 3D printing process. Overall, the 3D printed parts presented lower mechanical and electrical properties because of the presence of voids, defects and overlapping layers that can hinder the flow of electrons. The electrical conductivity values of PVDF/TPU/CB-PPy 38/62 vol% composites containing 5% and 6 wt% of CB-PPy 3D printed samples are one to seven orders of magnitude lower than those found for compression molded composites with the same composition. Even if the electrical conductivity value for PVDF/TPU 38/62 vol% compression molded composite with 6% of CB-PPy was as high as 1.94x10-1 S?m-1, the 3D printed composite with same composition showed a very low electrical conductivity of 6.01x10-8 S?m-1. On the other hand, the 3D printed co-continuous composite PVDF/TPU 50/50 vol% with 10% of filler displayed a high value of electrical conductivity of 4.14×100 S?m-1 even after the printing process. Moreover, the piezoresistive responses of the composites were investigated. For PVDF/TPU/CB-PPy 38/62 vol% composites, the compression molded and 3D printed samples with 5% and 6% of CB-PPy exhibited good piezoresistive response. However, only the composites with 6% displayed high sensitivity and gauge factor values, large pressure range and reproducible piezoresistive responses under 100 cycles for both methods. On the other hand, for PVDF/TPU/CB-PPy co-continuous composites only the compression molded sample with 5% of CB-PPy presented good and reproducible piezoresistive responses. The crystallinity and ß phase content of PVDF were investigated for the composites. Althought the degree of crystallinity of the samples decreased with the addition of CB-PPy, the percentage of ß phase in PVDF was increased. The piezoelectric coefficient d33 of the samples increased with the percentage of ß phase. The addition of 6% or more of CB-PPy was necessary to increase significatively the piezoelectric coefficient (d33) of the composites. The ß phase content and piezoelectric responses of PVDF were lower for samples prepared by FFF. Finally, as a collateral research, the electromagnetic interference shielding effectiveness (EMI-SE) were measured for all composites. Composites with higher electrical conductivity showed better shielding of the electromagnetic radiation. In addition, composites based on the co-continuous blend displayed higher EMI shielding efficiency than 38/62 vol% composites. The main mechanism of shielding was absorption for all composites. Specimens prepared by FFF displayed diminished EMI-SE responses when compared to compression molded samples.