Fusão em leito de pó a laser (FLP-L) de peças porosas de poli (fluoreto de vinilideno) e posteriormente revestidas de polianilina para uso em sensores de gás de amônia

Abstract

O processo de fabricação aditiva (MA) por fusão em leito de pó à laser (FLP-L), do inglês laser pó bed fusion (L-PBF), é considerado uma das técnicas de MA promissoras para materiais particulados, tanto para obtenção de peças densas quanto porosas. A obtenção de peças com estrutura porosa pode ser empregada em diversas aplicações, incluindo sensores de gás, que desempenham um papel fundamental na detecção de gases que podem impactar a saúde humana e o meio ambiente. Tradicionalmente, em materiais poliméricos, como poliamidas (PA 12 e PA 11) e compostos à base deles têm domínio sobre o uso no processo de FLP-L, mas há um interesse crescente em explorar novos materiais para expandir seu alcance. Sendo assim, este trabalho investigou a fabricação de geometrias porosas por fusão em leito de pó à laser do poli (fluoreto de vinilideno) (PVDF) e posterior revestimento com polianilina (PAni), para uso em sensores de gás de amônia. O trabalho foi desdobrado em quatro etapas, sendo que, na etapa, foi realizada a caracterização das partículas de pó de PDVF, enquanto, na segunda, investigou a influência dos parâmetros de processamento na qualidade das amostras fabricadas. Na terceira etapa, foram determinadas as variáveis ??utilizadas para revestimento por polimerização in situ da anilina (Ani) nas amostras de PVDF, e por fim, foi avaliada a resposta do desempenho das geometrias porosas revestidas (PVDF/PAni) na detecção de hidróxido de amônio (NH4OH) por meio de análises de alterações na resistência elétrica. Para a caracterização dos materiais e amostras fabricadas foram utilizadas técnicas de MEV, DSC, TGA, FTIR, distribuição e tamanho de partícula, escoabilidade, dureza Shore D, porosidade de Arquimedes, condutividade elétrica, resposta sensorial e ensaios mecânicos. Constatou-se que as partículas de PVDF exibiram um formato esférico que facilitaram sua escoabilidade no leito de pó e as amostras processadas apresentaram uma microestrutura porosa caracterizada através de uma coalescência parcial das partículas. Foi possível utilizar diferentes potências de laser (7 até 34 W) e velocidades de varredura (250 até 300 mm/s), com uma temperatura máxima de leito de pó em 120°C. As amostras apresentaram porosidade em torno dos 24 a 60% e suas propriedades mecânicas, como tensão máxima, módulo elástico e deformação máxima, alcançaram valores em torno de 2 MPa, 90 MPa e 6% respectivamente. Com uma concentração de 0,3 mol/L de anilina, razão molar de 3/1 e um tempo de ocorrência de 24h, foram obtidos valores de condutividade elétrica em torno de 10-2 S/cm. Na amostra porosa com 0,5 mm de espessura foi evidenciado um revestimento eficiente que, por sua vez, apresentou uma diminuição significativa de quatro ordens de grandeza de resistência elétrica em contato com NH4OH, e uma recuperação de duas ordens de grandeza, desempenho considerado resistente para aplicação em sensores de gás.

Abstract: The additive manufacturing (AM) process by laser powder bed fusion (L-PBF), also known as laser powder bed fusion (L-PBF), is considered one of the promising AM techniques for particulate materials, both for obtaining dense and porous components. The production of parts with a porous structure can be applied in various applications, including gas sensors, which play a crucial role in detecting harmful gases that can impact human health and the environment. Traditionally, in polymeric materials, polyamides (PA 12 and PA 11) and their composites have dominated the use in the LPBF process, but there is a growing interest in exploring new materials to expand its scope. Therefore, this study investigated the manufacturing of porous geometries by laser powder bed fusion of poly (vinylidene fluoride) (PVDF) and subsequent coating with polyaniline (PAni) for use in ammonia gas sensors. The work unfolded in four stages. In the first stage, the characterization of the PVDF powder particles was carried out, while in the second stage, the influence of processing parameters on the quality of the manufactured samples was investigated. In the third stage, the variables used for in situ polymerization coating of aniline (Ani) on PVDF samples were determined. Finally, the performance response of the coated porous geometries (PVDF/PAni) in the detection of ammonium hydroxide (NH4OH) was evaluated through analyses of changes in electrical resistance. Characterization of materials and manufactured samples involved the use of SEM, DSC, TGA, FTIR, particle size distribution, flowability, Shore D hardness, Archimedes' porosity, electrical conductivity, sensory response, and mechanical tests. It was observed that PVDF particles exhibited a spherical shape, facilitating their flowability in the powder bed, and the processed samples showed a porous microstructure characterized by partial coalescence of particles. Different laser powers (7 to 34 W) and scanning speeds (250 to 300 mm/s) were used, with a maximum powder bed temperature of 120°C. The samples exhibited porosity ranging from 24 to 60%, and their mechanical properties, such as maximum stress, elastic modulus, and maximum strain, reached values around 2 MPa, 90 MPa, and 6%, respectively. With an aniline concentration of 0.3 mol/L, a molar ratio of 3/1, and a reaction time of 24h, electrical conductivity values of around 10-2 S/cm were obtained. In the porous sample with a thickness of 0.5 mm, an efficient coating was evidenced, resulting in a significant four orders of magnitude decrease in electrical resistance upon contact with NH4OH and a two orders of magnitude recovery, considered satisfactory performance for gas sensor applications. The results demonstrated the feasibility of using PVDF to produce porous geometries subsequently coated with PAni for ammonia detection, showcasing the potential of laser powder bed fusion additive manufacturing as an alternative process for applications in the gas sensor segment.