Revalorization of Lignocellulosic Wastes in Functional Composites Based on Poly (Lactic Acid) and Carbon Nanotubes for 3D-Printing

Abstract

[Resumo] No paradigma actual da industria 4.0 é crucial o desenvolvemento de novos materiais poliméricos con propiedades funcionais que poidan utilizarse en tecnoloxías de impresión 3D, para a fabricación de dispositivos electrónicos con todas as vantaxes que aporta a técnica (baixo coste, residuos cero, individualización do produto, rapidez, fabricación in situ). O obxectivo desta tese é o deseño de novos compostos poliméricos baseados en PLA como matriz termoplástica e recheos condutivos como os nanotubos de carbono, axeitados para a impresión 3D por extrusión do material. Como novidade utilizáronse materiais lignocelulósicos de refugallo como aditivos na formulación dos compostos. Os datos obtidos demostran que a incorporación destes bio-aditivos melloraron as propiedades físico-químicas dos compostos (propiedades mecánicas e condutividade eléctrica) á vez que refugallos. Por último, dentro do traballo de esta tese deseñáronse e probáronse diferentes prototipos funcionais (circuíto eléctrico con LEDs, bio-sensores e sensores) impresos coas formulacións optimizadas dos compostos. Os experimentos realizados validaron a precisión e a reproducibilidade dos prototipos en aplicacións reais.[Resumen] En el paradigma actual de la industria 4.0 es crucial el desenvolvimiento de nuevos materiales poliméricos con propiedades funcionales que se puedan utilizar en tecnologías de impresión 3D, para la fabricación de dispositivos electrónicos con todas las ventajas que aporta la técnica (bajo coste, residuos cero, personalización del producto, rapidez, fabricación in situ). El objetivo de esta tesis es el diseño de nuevos compuestos poliméricos basados en PLA como matriz termoplástica y rellenos conductivos como los nanotubos de carbono, adecuados para la impresión 3D por extrusión de material. Como novedad se utilizaron materiales lignocelulósicos de residuo como aditivos en la formulación de os compuestos. Los datos obtenidos demostraron que la incorporación de estos bioaditivos mejoraron las propiedades físico-químicas de los compuestos (propiedades mecánicas y conductividad eléctrica) a la vez que se consiguieron revalorizar estos desechos. Por último, dentro del trabajo de esta tesis se diseñaron y se probaron diferentes prototipos funcionales (circuito eléctrico con LEDs, bio-sensores y sensores) impresos con las formulaciones optimizadas de los compuestos. Los experimentos realizados validaron la precisión y reproducibilidad de los prototipos en aplicaciones reales.[Abstract] In the current paradigm of Industry 4.0, the development of new polymeric materials with functional properties usable in 3D-printing technologies is crucial, for the fabrication of electronic devices with all the advantages of the manufacturing technique (low cost, zero waste, product customization, speed, on-site manufacturing). The objective of this thesis is the design of new polymeric composites based on PLA as a thermoplastic matrix and conductive fillers such as carbon nanotubes for 3Dprinting material extrusion. The novelty here was the use of lignocellulosic waste materials as additives within the formulations of the composites. The incorporation of the bio-additives was demonstrated by the obtained data to enhance the physicalchemical properties of the composites (mechanical properties and electrical conductivity) while revalorizing the wastes. Last, within this thesis work different functional 3D-printed prototypes were designed and probed (electric circuit with LEDs, bio-sensors, and sensors) using the optimized formulations of the composites. The experimental data ensured the precision and reproducibility of the prototypes in real applications.