Caracterização de filamentos comerciais de PLA e avaliação dos parâmetros de manufatura aditiva na condutividade térmica

Abstract

A manufatura aditiva, uma tecnologia que vem ganhando grande popularidade nos últimos anos, permite a produção de peças a partir de modelos 3D. Entre as sete subdivisões atualmente reconhecidas nessa área, conforme o comitê ASTM F42, o grupo de extrusão de material, que utiliza filamentos fundidos, foi o escolhido para este trabalho. Dois tipos de filamentos comerciais foram utilizados: PLA (poli(ácido láctico)) puro e PLA modificado com grafeno. O PLA é um termoplástico biodegradável, enquanto o grafeno, composto por uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonal, é um excelente condutor térmico e elétrico, além de ser rígido e leve. O objetivo deste trabalho foi caracterizar os filamentos de PLA e PLA/grafeno, produzir amostras desses materiais via manufatura aditiva, e avaliar a influência de parâmetros de impressão 3D na condutividade térmica das amostras impressas. A caracterização dos filamentos foi realizada por meio de diversas técnicas, incluindo: determinação da massa específica, difração de Raios-X (DRX), espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura (MEV), calorimetria exploratória diferencial (DSC), termogravimetria (TGA) e análise termomecânica (TMA). As análises de massa específica e espectroscopia confirmaram a presença de grafeno no filamento de PLA/grafeno, em uma concentração aproximada de 1% em massa. A temperatura de transição vítrea (Tg) do PLA e do PLA/grafeno foi semelhante (62°C e 63°C, respectivamente), assim como as temperaturas de fusão (Tm), de 155°C e 156°C, e os valores de entalpia de fusão (28 J/g). Esses resultados indicam que a adição de grafeno não alterou significativamente as Tg e Tm do PLA. A estabilidade térmica do PLA aumentou em 5,39% com a adição do grafeno. A 50°C, o tempo de meia-vida do PLA foi de 28,7 anos, enquanto o PLA/grafeno apresentou um tempo de meia-vida de 58,4 anos. A energia de ativação para o PLA foi de 95,521 kJ/mol, enquanto para o PLA/grafeno foi de 100,245 kJ/mol, considerando uma perda de massa de 5%. O coeficiente de expansão térmica de ambos os filamentos foi de 87 µm/m°C, mostrando que a adição de grafeno não afetou esse parâmetro. A condutividade térmica foi maior a 25°C do que a 60°C para todas as condições de impressão estudadas, sendo a maior condutividade observada na condição com velocidade de viagem alterada. No entanto, a adição de grafeno não aumentou a condutividade térmica da matriz polimérica, sugerindo uma interação limitada ou inexistente entre o grafeno e a matriz de PLA. Conclui-se que, embora o grafeno tenha aumentado o tempo de vida útil estimado para o PLA em 104%, baseado na cinética de decomposição térmica, não houve um ganho significativo nos valores de condutividade térmica para os filamentos comerciais analisados.

Additive manufacturing, a technology that has gained significant popularity in recent years, allows the production of parts from 3D models. Among the seven subdivisions currently recognized in this field, according to the ASTM F42 committee, the material extrusion group, which uses fused filaments, was chosen for this study. Two types of commercial filaments were used: pure PLA (poly(lactic acid)) and PLA modified with graphene. PLA is a biodegradable thermoplastic, while graphene, composed of a single layer of carbon atoms arranged in a hexagonal structure, is an excellent thermal and electrical conductor, in addition to being stiff and lightweight. The objective of this work was to characterize the PLA and PLA/graphene filaments, produce samples of these materials via additive manufacturing, and evaluate the influence of 3D printing parameters on the thermal conductivity of the printed samples. The filaments were characterized using various techniques, including: specific mass determination, X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetry (TGA), and thermomechanical analysis (TMA). Specific mass and spectroscopy analyses confirmed the presence of graphene in the PLA/graphene filament, with an approximate concentration of 1% by mass. The glass transition temperature (Tg) of PLA and PLA/graphene was similar (62°C and 63°C, respectively), as were the melting emperatures (Tm), at 155°C and 156°C, and the enthalpy values (28 J/g). These results indicate that the addition of graphene did not significantly alter the Tg and Tm of PLA. The thermal stability of PLA increased by 5.39% with the addition of graphene. At 50°C, the half-life of PLA was 28.7 years, while PLA/graphene had a half-life of 58.4 years. The activation energy for PLA was 95.521 kJ/mol, and for PLA/graphene, it was 100.245 kJ/mol, considering a 5% mass loss. The thermal expansion coefficient of both filaments was 87 µm/m°C, indicating that the addition of graphene did not affect this parameter. Thermal conductivity was higher at 25°C than at 60°C for all printing conditions studied, with the highest conductivity observed under altered travel speed conditions. However, graphene did not increase the thermal conductivity of the polymer matrix, suggesting limited or no interaction between graphene and the PLA matrix. It is concluded that, while graphene increased the estimated lifetime by 104%, based on the thermal decomposition kinetics, there was no significant improvement in the thermal conductivity values for the commercial filaments analyzed.