Filamentos funcionais para manufatura aditiva de protótipos aplicados em soluções ambientais

Abstract

A tecnologia de manufatura aditiva, também conhecida como impressão 3D, está experimentando um rápido crescimento devido às suas vantagens exclusivas. Entre elas, destaca-se a capacidade de prototipagem rápida, a criação de designs de dispositivos multiúso, a redução considerável de resíduos e a facilidade de reprodução em grande escala. Existem diversas técnicas e equipamentos disponíveis para a produção de peças tridimensionais, sendo a modelagem por deposição fundida (FDM) a mais popular e acessível para a fabricação de protótipos. No entanto, a principal limitação do uso da tecnologia FDM é a seleção restrita de materiais disponíveis para a fabricação de peças funcionais. A fim de superar essa limitação, pesquisas estão sendo realizadas para desenvolver filamentos funcionais que possam ser utilizados na impressão 3D FDM. Esses filamentos são produzidos por meio da mistura de materiais com características específicas, ampliando assim as possibilidades de aplicação da impressão 3D em vários setores, especialmente na prototipagem de peças funcionais com propriedades específicas, como soluções ambientais para detecção e degradação de contaminantes emergentes. Essa abordagem tem se mostrado uma proposta atual e promissora para o desenvolvimento de eletrodos eletroquímicos e peças fotocatalíticas de baixo custo e alta precisão. No entanto, o uso da impressão 3D para o desenvolvimento de protótipos funcionais continua em estágios iniciais, e existem grandes lacunas nas metodologias que envolvem todo o processo, desde os métodos de mistura e proporções dos materiais até a aplicação final da peça funcional impressa. Portanto, o objetivo deste trabalho foi propor uma metodologia para a produção de protótipos fotocatalíticos e condutivos usando a tecnologia de impressão 3D/FDM, para aplicações ambientais com ênfase na detecção e degradação de contaminantes emergentes. Para esse fim, vários passos foram seguidos, nomeadamente: i) produção dos filamentos por mistura em fusão e em solução, ii) definição das geometrias e impressão 3D dos protótipos funcionais, iii) caracterização química, térmica, microscópica e mecânica dos materiais, e iv) aplicação final para verificar a capacidade fotocatalítica e condutiva das peças produzidas. As eficiências das peças fotocatalíticas foram avaliadas por meio da degradação do antibiótico tetraciclina. Os resultados revelaram uma taxa de degradação variando de 45 % a 60 % para os filamentos contendo ZnO e de até 65 % para os filamentos contendo TiO 2 . Em relação ao corante azul de metileno, observou-se uma degradação na faixa de 75 % a 80 % após 4 h de exposição à luz UV. Especificamente, o protótipo impresso utilizando a composição de ABS e TiO 2 apresentou a melhor resposta de degradação, alcançando 86 %. Nos testes de reutilização da peça produzida com o filamento funcionalizado com ZnO, observou-se que ela manteve, em média, 80 % de sua capacidade inicial de remoção após 10 ciclos, sem a necessidade de qualquer procedimento de ativação entre os ciclos. Esse resultado confirma que os procedimentos de mistura utilizados reduziram a lixiviação e a fotocorrosão do ZnO, permitindo a reutilização das peças devido à sua eficácia fotocatalítica repetida. Além disso, em relação à produção de filamentos condutivos, foram incorporados grafite e nanotubos de carbono na matriz polimérica, obtendo resposta condutiva para o filamento com apenas 1 % de nanotubos de carbono em massa. Esses resultados são promissores para a produção de eletrodos de trabalho, indicando a possibilidade de produzir sensores eletroquímicos de baixo custo ao aumentar a quantidade de material condutivo adicionado. Essas descobertas demonstram o potencial da tecnologia de impressão 3D/FDM para a fabricação de peças funcionais com propriedades específicas, abrindo caminho para avanços significativos nas aplicações ambientais e na criação de soluções mais acessíveis.

Abstract: The additive manufacturing technology, also known as 3D printing, is experiencing rapid growth due to its unique advantages. These include rapid prototyping capability, the creation of multipurpose device designs, significant waste reduction, and ease of large-scale reproduction. Several techniques and equipment are available for the production of three- dimensional parts, with fused deposition modeling (FDM) being the most popular and accessible for prototyping. However, the main limitation of using FDM technology is the limited selection of materials available for functional parts manufacturing. In order to surpass this limitation, ongoing research is focused on developing functional filaments suitable for FDM 3D printing. These filaments are produced by blending materials with specific characteristics, thereby expanding the possibilities of 3D printing applications in various sectors, particularly in prototyping functional parts with specific properties, such as environmental solutions for detecting and degrading emerging contaminants. This approach is a current and promising proposal for developing low-cost and high-precision electrochemical electrodes and photocatalytic parts. However, the use of 3D printing for functional prototype development is still in its early stages, and there are significant gaps in the methodologies involving the entire process, from material mixing methods and proportions to the final application of the printed functional part. Therefore, this work aimed to propose a methodology for producing photocatalytic and conductive prototypes using 3D printing/FDM technology for environmental applications, emphasizing the detection and degradation of emerging contaminants. For this purpose, several steps were followed, namely i) filament production through fusion and solution mixing, ii) definition of geometries and 3D printing of functional prototypes, iii) chemical, thermal, microscopic, and mechanical characterization of materials, and v) the final application to verify the photocatalytic and conductive capabilities of the produced parts. The results revealed a degradation rate ranging from 45 % to 60 % for filaments containing ZnO and up to 65 % for filaments containing TiO 2 . Regarding the blue methylene dye, 75 % to 80 % degradation was observed after 4 h of exposure to UV light. Specifically, the printed prototype using the ABS and TiO 2 composition exhibited the best degradation response, reaching 86 %. In the tests of reusing the part produced with the ZnO functionalized filament, it was observed that it maintained, on average, 80 % of its initial removal capacity after 10 cycles without the need for any activation procedure between the cycles. This result confirms that the mixing procedures used reduced leaching and photocorrosion of ZnO, allowing the reuse of the pars due to their repeated photocatalytic effectiveness. Furthermore, regarding the production of conductive filaments, graphite, and carbon nanotubes were incorporated into the polymer matrix, achieving a conductive response for the filament with just 1 % carbon nanotubes by mass. These results are promising for producing working electrodes, indicating the possibility of producing low-cost electrochemical sensors by increasing the added conductive material. These findings demonstrate the potential of 3D printing/FDM technology for manufacturing functional parts with specific properties, paving the way for significant advancements in environmental applications and creating more accessible solutions.