Flexible and 3D printable conductive composites for pressure sensor applications

Lo scopo di questo studio è lo sviluppo di compositi polimerici flessibili e ad elevata conducibilità elettrica tramite stampaggio a compressione e manifattura additiva (fused filament fabrication) per possibili applicazioni come materiali piezoresistivi o piezoelettrici in sensori di pressione. In particolare, sono stati preparati compositi a base di miscele di poli(vinilidene fluoruro)/poliuretano termoplastico (PVDF/TPU) come matrice e contenenti varie frazioni di nerofumo-polipirrolo (CB-PPy) come riempitivo conduttivo. Sono state utilizzate diverse tecniche di caratterizzazione al fine di valutare le proprietà meccaniche, termiche, chimiche ed elettriche, la morfologia e la stampabilità dei materiali ottenuti. In primo luogo, miscele PVDF/TPU con diverse composizioni sono state preparate mediante mescolatura allo stato fuso seguita da stampaggio a compressione. I risultati hanno mostrato che la flessibilità del PVDF viene notevolemente migliorata dall’aggiunta di TPU. Le immagini SEM hanno evidenziato il raggiungimento di una miscela co-continua per una composizione 50/50% in volume di PVDF/TPU. Le miscele composte da PVDF/TPU 38/62 vol% e la miscela co-continua di PVDF/TPU 50/50 vol% sono state selezionate come matrici per la preparazione di compositi per stampaggio a compressione e manifattura additiva al fine di ottenere un compromesso ottimale tra conducibilità, proprietà meccaniche e stampabilità. Alle miscele selezionate sono state aggiunte varie quantità di nerofumo-polipirrolo, dallo 0 al 15%, per aumentare la conducibilità elettrica dei compositi ed eventualmente fungere da additivo nucleante per la fase β cristallina del PVDF al fine di aumentarne la risposta piezoelettrica. L'aggiunta di CB-PPy ha aumentato la conduttività elettrica di tutti i compositi. Tuttavia, la conduttività elettrica dei compositi basati su miscele co-continue di PVDF/TPU 50/50% in volume era superiore a quella trovata per compositi PVDF/TPU 38/62% in volume con lo stesso contenuto di riempitivo. Infatti, la soglia di percolazione elettrica delle miscele conduttive era del 2%, mentre la soglia di percolazione elettrica dei compositi con miscele composite non continue era del 5%. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, l'incorporazione del riempitivo nelle mescole ha portato a materiali più rigidi con modulo elastico più elevato, allungamento a rottura inferiore e modulo conservativo più elevato. Il modulo conservativo (G') e la viscosità complessa (η*) dei compositi sono aumentate con l'aggiunta di CB-PPy. La soglia di percolazione reologica è risultata essere del 3% per PVDF/TPU/CB-PPy 38/62 vol% e dell'1% per PVDF/TPU/CB-PPy 50/50 vol%, indicando che una maggiore quantità di riempitivo potrebbe compromettere la processabilità dei compositi. L'aggiunta di CB-PPy ha comportato anche una riduzione dei valori di Tg e Tm dei compositi a causa della riduzione della mobilità delle catene polimeriche. Sulla base della conduttività elettrica e del comportamento meccanico dei compositi, sono state selezionate tre diverse composizioni per l'estrusione di filamenti da utilizzare in un processo di stampa 3D. Nel complesso, le parti stampate in 3D presentavano proprietà meccaniche ed elettriche inferiori a causa della presenza di vuoti, difetti e strati sovrapposti che possono ostacolare il flusso di elettroni. I valori di conducibilità elettrica dei compositi PVDF/TPU/CB-PPy 38/62 vol% contenenti il 5% e il 6% di CB-PPy di campioni stampati in 3D sono da uno a sette ordini di grandezza inferiori a quelli trovati per i compositi stampati a compressione con la stessa composizione. Anche se il valore di conducibilità elettrica per il composito stampato a compressione PVDF/TPU 38/62 vol% con il 6% di CB-PPy era pari a 1,94x10-1 S•m-1, il composito stampato in 3D con la stessa composizione ha mostrato un valore molto basso di conducibilità elettrica, pari a 6,01x10-8 S•m-1. D'altra parte, il composito PVDF/TPU 50/50 vol% stampato in 3D con il 10% di riempitivo ha mostrato un elevato valore di conducibilità elettrica, pari a 4,14 × 100 S•m-1, anche dopo il processo di stampa. Inoltre, sono state studiate le risposte piezoresistive dei compositi. Per i compositi PVDF/TPU/CB-PPy 38/62 vol%, i campioni stampati a compressione e stampati in 3D con il 5% e il 6% di CB-PPy hanno mostrato una buona risposta piezoresistiva. Tuttavia, solo i compositi con il 6% hanno mostrato valori di sensibilità e gauge factor elevati, ampio intervallo di pressione e risposte piezoresistive riproducibili in 100 cicli per entrambi i metodi. D'altra parte, per i compositi co-continui PVDF/TPU/CB-PPy solo il campione stampato a compressione con il 5% di CB-PPy ha presentato risposte piezoresistive adeguate e riproducibili. La cristallinità e il contenuto di fase β del PVDF sono stati studiati per i compositi. Sebbene il grado di cristallinità dei campioni diminuisca con l'aggiunta di CB-PPy, la percentuale di fase β in PVDF risulta aumentata. Il coefficiente piezoelettrico d33 dei campioni aumenta anch’esso con la percentuale di fase β. L'aggiunta del 6% o più di CB-PPy è stata necessaria per aumentare significativamente il coefficiente piezoelettrico (d33) dei compositi. Il contenuto di fase β e le risposte piezoelettriche del PVDF sono inferiori per i campioni ottenuti mediante stampa 3D. Infine, come ricerca collaterale, è stata misurata l'efficacia della schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI-SE) per tutti i compositi. I compositi con una maggiore conduttività elettrica hanno mostrato una migliore schermatura della radiazione elettromagnetica. Inoltre, i compositi basati sulla miscela co-continua hanno mostrato un'efficienza di schermatura EMI maggiore rispetto ai compositi a 38/62% in volume. Per tutti i compositi, il principale meccanismo di schermatura è l'assorbimento. I campioni preparati mediante manifattura additiva hanno mostrato risposte EMI-SE inferiori rispetto ai campioni stampati a compressione.

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 β 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 (η*) 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 β 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 β phase in PVDF was increased. The piezoelectric coefficient d33 of the samples increased with the percentage of β phase. The addition of 6% or more of CB-PPy was necessary to increase significatively the piezoelectric coefficient (d33) of the composites. The β 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.