3D printing light-curing acrylic resins with electrical properties based on polianiline and lignin

Abstract

[Abstract] Advances in 3D printing, key to the new production models of Industry 4.0, require high-performance and environmentally friendly materials. Its application in sensors is especially attractive, allowing, at an affordable cost, the integration of electronics in manufacturing. The aim of this thesis is to develop new photocurable resins with electrical properties for 3D-DLP printing. Flexible resins have been designed based on acrylate monomers and nanofillers: polyaniline (PANI), PANI modified with lignin (PANI/Lignin) or with carbon nanotubes (PANI/MWCNT) and organosolv lignin. Structural characterization of the materials has been performed by TGA, FTIR, rheology, microscopy, and elemental analysis; special attention has been paid to matrix/filler compatibility, the mechanical and electrical (piezocapacitive and piezoresistive) properties. PANI has proven to be a valuable conductive filler for light-curable printable conductive resins. PANI modified with MWCNT improved the electrical conductivity of the resins, at the cost of increased heterogeneity. However, lignin, as part of the filler or additive, improved the homogeneity, surface finish and electrical properties of the composites. Finally, the obtained functional prototypes (printed sensors) validated the reproducibility and precision of the developed materials in real life conditions.

[Resumen] El avance en impresión 3D, clave para los nuevos modelos productivos de la Industria 4.0, requiere materiales de altas prestaciones y respetuosos con el medioambiente. Su aplicación en sensores es especialmente atractiva permitiendo, a un coste asequible, la integración de la electrónica en la fabricación. El objetivo de esta tesis es desarrollar nuevas resinas fotocurables con propiedades eléctricas para impresión 3D-DLP. Se han diseñado resinas flexibles basadas en monómeros de acrilato y nanorellenos: polianilina (PANI), PANI modificada con lignina (PANI/Lignina) o con nanotubos de carbono (PANI/MWCNT) y lignina organosolv. La caracterización estructural de los materiales se ha realizado mediante TGA, FTIR, reología, microscopía y análisis elemental; se ha prestado especial atención a la compatibilidad matriz/relleno, las propiedades mecánicas y eléctricas (piezocapacitivas y piezorresistivas). La PANI ha demostrado ser un relleno conductor valioso para resinas conductoras imprimibles fotocurables. La PANI modificada con MWCNT mejoró la conductividad eléctrica de las resinas, a costa de una mayor heterogeneidad. Sin embargo, la lignina, como parte del relleno o aditivo, mejoró la homogeneidad, acabado superficial y propiedades eléctricas de los compuestos. Finalmente, los prototipos funcionales (sensores impresos) obtenidos validaron la reproducibilidad y precisión de los materiales desarrollados en condiciones reales de uso.

[Resumo] O avance en impresión 3D, clave para os novos modelos produtivos da Industria 4.0, require materiais de altas prestacións e respectuosos co medio ambiente. A súa aplicación en sensores é especialmente atractiva permitindo, a un custo alcanzable, a integración da electrónica na fabricación. O obxectivo desta tese é desenvolver novas resinas fotocurables con propiedades eléctricas para impresión 3D-DLP. Deseñáronse resinas flexibles baseadas en monómeros de acrilato e nanorecheos; polianilina (PANI), PANI modificada con lignina (PANI/Lignina) ou con nanotubos de carbono (PANI/MWCNT) e lignina organosolv. Realizouse unha caracterización estrutural dos materiais mediante TGA, FTIR, reoloxía, microscopía e análise elemental; prestouse especial atención á compatibilidade matriz/recheo, ás súas propiedades mecánicas e eléctricas (piezocapacitivas e piezorresistivas). A PANI demostrou ser un recheo condutor valioso para resinas condutoras imprimibles fotocurables. A PANI modificada con MWCNT mellorou a condutividade eléctrica das resinas, á conta dunha maior heteroxeneidade. Porén, a lignina, como parte do recheo ou aditivo, mellorou a homoxeneidade, acabado superficial e propiedades eléctricas dos compostos. Finalmente, os prototipos funcionais (sensores impresos) obtidos validaron a reproducibilidade e precisión dos materiais deseñados en condicións reais de uso.