Влияние параметров прибора на электрохимическую активность 3D-печатных углеродных термопластичных электродов

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 339 (2023) Цитировать эту статью

1248 Доступов

8 Альтметрика

Подробности о метриках

3D-печать обеспечивает надежный подход к производству электрохимических датчиков из углеродных термопластичных композитов. Во многих исследованиях изучалось влияние параметров печати на электрохимическую активность углеродных термопластических электродов, но мало известно о влиянии параметров инструмента, которые, как было показано, изменяют структуру и механическую прочность термопластов, напечатанных на 3D-принтере. Мы исследовали влияние температуры экструдера, диаметра сопла и температуры нагретого слоя на электрохимическую активность электродов из сажи и полимолочной кислоты (CB/PLA). Измерения циклической вольтамперометрии и электрохимической импедансной спектроскопии проводились с использованием стандартных окислительно-восстановительных зондов. Поверхность электрода и поперечное сечение электрода визуализировали с помощью сканирующей электронной микроскопии. Мы обнаружили, что использование температур экструдера 230 °C и 240 °C улучшает электрохимическую активность электродов CB/PLA за счет увеличения шероховатости поверхности и уменьшения количества пустот между печатными слоями. Диаметр сопла, температура подогрева стола различных 3D-принтеров не повлияли на электрохимическую активность CB/PLA-электродов. Однако высокопроизводительные принтеры обеспечивают улучшенную воспроизводимость партий электродов. Эти результаты подчеркивают ключевые параметры прибора, которые необходимо учитывать при производстве электрохимических датчиков из углеродного термопластичного композита при использовании 3D-печати.

3D-печать как производственный подход предоставила возможность массового производства электрохимических датчиков различной сложной геометрии1,2,3,4,5,6,7,8. Материал, используемый для изготовления 3D-печатных электродов, содержит фиксированный процент проводящего материала (например, различных форм углерода), который смешивается с непроводящим термопластом, таким как полимолочная кислота (PLA). Таким образом, все электроды, напечатанные на 3D-принтере, представляют собой композитные электроды, часть которых является проводящей9,10. Исторически сложилось так, что углеродные композитные электроды имеют высокую вариативность партий5,11,12,13,14 из-за трудностей в изготовлении однородных электродов, часто производимых человеком. Однако машинное производство электродов с использованием 3D-печати обеспечивает большую точность между партиями электродов и, таким образом, делает этот подход подходящим для воспроизводимого производства углеродных композитных электродов11.

Процесс печати может влиять на конструкцию печатной детали и, таким образом, может изменять электрохимическую активность углеродного термопластичного композитного электрода. На изготовление 3D-печатных электродов могут влиять параметры печати и параметры инструмента. Параметры печати влияют на архитектурную структуру электрода при печати, а параметры инструмента являются переменными, которые влияют на экструзию углеродной термопластической нити. Многие исследования были сосредоточены на изучении влияния параметров печати, где было показано, что ориентация печати, скорость печати и толщина слоя изменяют электрохимическую активность углеродных проводящих электродов11,15,16,17,18. Ни в одном исследовании не изучалось влияние параметров прибора на электрохимическую активность 3D-печатных углеродных термопластичных электродов. Однако исследования по изучению влияния параметров инструмента проводились в основном на таких термопластах, как PLA19,20,21,22,23,24,25, где различия наблюдались при изменении диаметра сопла, нагреваемого слоя и температуры экструдера. Различные исследования показали, что печатные детали с использованием сопел большего диаметра повышают прочность напечатанных деталей на разрыв, хотя это не имеет линейной корреляции26,27,28. Предполагается, что это может быть связано с потенциально небольшим увеличением ширины слоя при увеличении диаметра сопла. Исследования также показали, что прочность на разрыв деталей, напечатанных PLA, увеличивается с увеличением температуры нагретого слоя. По мере увеличения температуры нагретого слоя увеличивается теплоотдача от одного слоя к другому, что приводит к последующему нагреву уже склеенных слоев. Благодаря такому посленагреву слоев происходит большая диффузия одного слоя в соседний слой и, следовательно, повышается прочность. Эта улучшенная адгезия была значительно увеличена при печати деталей при температуре стола, немного превышающей температуру стеклования (Tg) печатного материала28,29,30. Различные исследования показали, что использование более высоких температур экструдера улучшает механические свойства углеродного волокна PLA и PLA. Это было связано с уменьшением общего количества пустот между печатными слоями, что улучшает межслоевое соединение между слоями20,25,28,31,32,33.