Efeito da incorporação de nanotubos de carbono nas propriedades de uma resina fotopolimerizável utilizada em estereolitografia mascarada (MSLA)

Abstract

A manufatura aditiva (MA), processo em que uma peça é formada a partir da adição de consecutivas de camadas de material, vendo sendo explorada em diversas indústrias devido as suas vantagens, como baixo custo de equipamento e redução no consumo de matéria prima. A fotopolimerização em cuba, técnica MA que consiste na polimerização das camadas utilizando radiação UV, possui o método MSLA que além das vantagens da MA, fabrica peças com alta resolução e geometrias complexas. O campo de materiais compósitos poliméricos no processo MA surgiu para suprir a necessidade de obter peças com resistência mecânica e/ou propriedades especificas, como condutividade elétrica. Diante deste cenário, o presente trabalho traz a incorporação de nanotubos de carbono (NTC) em uma resina fotopolimerizável para fabricação de nanocompósitos via manufatura aditiva, utilizando a técnica estereolitografia mascarada (MSLA). Foram desenvolvidos nanocompósitos com 0,1, 0,3 e 0,5% em massa de NTC com o intuito de melhorar as propriedades mecânicas e elétricas da resina fotopolimerizável utilizada no processo de fotopolimerização em cuba. Inicialmente foi avaliado o tempo ideal de pós-cura da resina pura. Então, foram fabricadas amostras sem pós-cura, com 30 minutos e 1 hora de pós-cura. As amostras passaram por análises de FTIR, DSC, e ensaios mecânicos de tração e flexão. A análise FTIR indica que a resina seja um polímero acrilato. Na análise DSC a resina que apresentou maior Tg (58 °C) foi a pós-curada por 1h, demonstrando aumento de reticulações cruzadas durante a pós-cura, confirmando esse resultado, e a resina póscurada por 1h apresentou melhores propriedades mecânicas. Para fabricação dos nanocompósitos foi necessário reajustar o parâmetro de impressão para o tempo de cura das camadas, uma vez que o NTC absorve a luz UV dificultando a cura. Nos ensaios mecânicos foi observado a redução das propriedades mecânicas com a incorporação de NTC, que pode ser explicada pela redução da densidade de ligações cruzadas e pela concentração de tensões ocasionadas pelos aglomerados de NTC. A redução da densidade de ligações cruzadas pode ser atestada pela análise DSC do nanocompósito com 0,5% m de NTC, que apresentou redução da Tg para 54 °C. As imagens MEV mostram maior uniformidade nas superfícies do nanocompósito com 0,1% m NTC quando comparado as superfícies da amostra com 0,3%, indicando melhor dispersão das nanocargas e menos concentradores de tensão, o que justifica o melhor desempenho mecânico do nanocompósito com menor teor de NTC. Apesar das desvantagens, foi observado na análise resistividade elétrica o aumento considerável da condutividade elétrica com a incorporação das nanocargas, modificando o caráter isolante da matriz para semicondutor.

Additive manufacturing (AM), a process in which a part is formed by adding consecutive layers of material, is being explored in various industries due to its advantages, such as low equipment cost and reduced raw material consumption. Photopolymerization in a vat, an AM technique that involves the polymerization of layers using UV radiation, has the MSLA method which, in addition to the advantages of AM, produces parts with high resolution and complex geometries. The field of polymeric composite materials in the AM process emerged to meet the need for parts with mechanical strength and/or specific properties, such as electrical conductivity. In this scenario, the present work incorporates carbon nanotubes (CNTs) into a photopolymerizable resin for the manufacture of nanocomposites via additive manufacturing, using the Masked Stereolithography (MSLA) technique. Nanocomposites were developed with 0.1, 0.3, and 0.5% by mass of CNT with the aim of improving the mechanical and electrical properties of the photopolymerizable resin used in the vat photopolymerization process. Initially, the ideal post-curing time for the pure resin was evaluated. Then, samples were manufactured without post-curing, with 30 minutes, and 1 hour of post-curing. The samples underwent FTIR analysis, DSC, and mechanical tensile and flexural tests. FTIR analysis indicates that the resin is an acrylate polymer. In the DSC analysis, the resin that showed the highest Tg (58 °C) was post-cured for 1 hour, demonstrating an increase in cross-linking during postcuring, confirming this result, and the resin post-cured for 1 hour exhibited better mechanical properties.To manufacture the nanocomposites, it was necessary to readjust the printing parameter for the layer curing time, as CNT absorbs UV light, making curing difficult. In the mechanical tests, a reduction in mechanical properties was observed with the incorporation of CNT, which can be explained by the reduction in cross-link density and the concentration of stresses caused by CNT clusters. The reduction in cross-link density can be confirmed by the DSC analysis of the nanocomposite with 0.5% mass of CNT, which showed a reduction in Tg to 54 °C. SEM images show greater uniformity on the surfaces of the nanocomposite with 0.1% mass CNT compared to the surfaces of the sample with 0.3%, indicating better dispersion of nanofillers and fewer stress concentrators, justifying the better mechanical performance of the nanocomposite with a lower CNT content. Despite the disadvantages, a significant increase in electrical conductivity was observed in the electrical resistivity analysis with the incorporation of nanofillers, changing the insulating character of the matrix to a semiconductor.