Filamentos condutores de PLA reciclado com negro de fumo, nanoplaquetas de grafeno e óleo de canola, para sensores eletroquímicos

Abstract

A manufatura aditiva tem se consolidado como alternativa eficiente para a produção de dispositivos funcionais, estimulando o desenvolvimento de filamentos compósitos com propriedades ajustadas. Embora estudos já tenham explorado o uso de poli(ácido lático) reciclado como matriz para filamentos condutores, não foram identificados relatos empregando nanoplaquetas de grafeno em poli(ácido lático) pós-consumo, o que evidencia uma lacuna relevante na literatura e motiva a investigação aqui apresentada. O objetivo deste trabalho foi desenvolver filamentos compósitos condutores à base de poli(ácido lático) reciclado incorporando com negro de fumo e nanoplaquetas de grafeno em diferentes proporções com óleo de canola, visando a aplicação em plataformas de transdução eletroanalítica impressas empregando a fabricação de filamento fundido. As formulações foram preparadas por mistura mecânica, dispersão e conformação em extrusora. Os filamentos obtidos foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, calorimetria exploratória diferencial, microscopia eletrônica de varredura. As plataformas impressas tiveram sua condutividade superficial determinada por condutividade pelo método de sonda de quatro pontas, e as respostas eletroquímicas foram avaliadas por voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica. Os resultados mostraram que a adição de óleo de canola foi essencial para viabilizar a incorporação de até 30% em massa de cargas carbonáceas, permitindo a extrusão contínua dos compósitos. Entre as formulações desenvolvidas, o material contendo 30% em massa de negro de fumo apresentou o melhor desempenho global, combinando processabilidade adequada, maior condutividade após a impressão e resposta eletroquímica superior quando comparada às demais composições e ao filamento comercial (utilizado como referência). As análises eletroquímicas revelaram maior corrente de pico, menor separação entre picos e menor resistência de transferência de carga para essa composição, indicando formação de rede condutora eficiente e superfície eletroativa adequada. Os resultados obtidos demonstraram a viabilidade do uso de poli(ácido lático) reciclado para a produção de filamentos condutores destinados à fabricação de plataformas eletroquímicas impressas, destacando seu potencial como alternativa sustentável e de baixo custo para aplicações analíticas.

Additive manufacturing has become established as an efficient alternative for the production of functional devices, fostering the development of composite filaments with tailored properties. Although previous studies have investigated recycled poly(lactic acid) as a matrix for conductive filaments, no reports were found employing graphene nanoplatelets in post-consumer poly(lactic acid), highlighting a relevant gap in the literature and motivating the present investigation. The aim of this work was to develop conductive composite filaments based on recycled poly(lactic acid) incorporating carbon black and graphene nanoplatelets in different proportions, using canola oil as a processing aid, targeting their application in electroanalytical transduction platforms fabricated by fused filament fabrication. The formulations were prepared through mechanical mixing, dispersion, and extrusion. The resulting filaments were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and scanning electron microscopy. The surface conductivity of the printed platforms was determined using the four-point probe method, and their electrochemical performance was evaluated by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The results demonstrated that the addition of canola oil was essential to enable the incorporation of up to 30 wt% of carbonaceous fillers, allowing continuous extrusion of the composites. Among the developed formulations, the material containing 30 wt% carbon black exhibited the best overall performance, combining adequate processability, higher post-printing conductivity, and superior electrochemical response when compared to the other compositions and to a commercial filament used as reference. Electrochemical analyses revealed higher peak currents, reduced peak-to-peak separation, and lower charge transfer resistance for this composition, indicating the formation of an efficient conductive network and an electroactive surface suitable for sensing applications. Overall, the results demonstrate the feasibility of using recycled poly(lactic acid) for the production of conductive filaments aimed at the fabrication of printed electrochemical platforms, highlighting its potential as a sustainable and low-cost alternative for analytical applications.