Membranas eletrofiadas de poli(ácido láctico) com nanoplacas de grafeno funcionalizadas com líquido iônico para aplicação em sensores de compressão piezorresistivos

Abstract

A eletrofiação é um método de fabricação simples e barato que permite o desenvolvimento de nanocompósitos para as mais diversas aplicações, como curativos, filtros e sensores piezorresistivos. Este último tem a capacidade de medir a variação da resistência elétrica em função de uma solicitação mecânica. No entanto, materiais intrinsecamente piezorresistivo, como a sílica monocristalina apresentam ótima sensibilidade, mas com limitações quanto à flexibilidade. A fim de superar essa limitação, este trabalho propõe o desenvolvimento de um nanocompósito eletrofiado que, por sua morfologia tridimensional porosa, composta por fibras submicrométricas, pode apresentar comportamento piezorresistivo ao criar caminhos condutivos por meio do contato entre as fibras durante a compressão. Então, foi definido o poli(ácido láctico) (PLA) como matriz e como cargas carbonáceas, as nanoplacas de grafeno (xGnP), que foram utilizadas com o intuito de melhorar a condutividade elétrica e a sensibilidade piezorresistiva do compósito. As xGnP foram funcionalizadas com o líquido iônico bitartrato de colina (LI), o que auxilia no processo de eletrofiação e na dispersão das xGnP, ampliando os ganhos de condutividade e de sensibilidade do nanocompósito. Foram então desenvolvidos dois grupos de amostras, o de PLA/LI, em diferentes quantidades de LI (3, 6, 9 e 12% m), e o de PLA/LI/1%xGnP, com as respectivas frações mássicas de LI, porém agora com 1% m de xGnP. As amostras foram analisadas por meio dos principais ensaios: resistência à tração, Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), condutividade elétrica, degradação em solo e ensaio eletromecânico. A partir dos ensaios, observou-se que o LI aumentou o módulo elástico em até 40 MPa, modificou a recristalização, reduzindo a cristalinidade até 36%, e melhorou a condutividade elétrica em uma ordem de grandeza. Além disso, a adição do LI acelerou o processo de degradação e a conferiu comportamento piezorresistivo. Já na associação do LI com xGnP, houve melhora considerável na dispersão do xGnP, evidenciada pelo ganho de condutividade elétrica em quatro ordens de grandeza, além de melhorar a resposta piezorresistiva. Com base nos resultados, foi possível concluir que os nanocompósitos PLA/LI/xGnP apresentaram uma resposta piezorresistiva adequada.

Electrospinning is a simple and inexpensive manufacturing method that enables the development of nanocomposites for a wide range of applications, including dressings, filters, and piezoresistive sensors. The latter can measure changes in electrical resistance in response to mechanical stress. However, intrinsically piezoresistive materials, such as monocrystalline silica, exhibit excellent sensitivity but have limitations regarding flexibility. To overcome this limitation, this work proposes developing an electrospun nanocomposite with a porous morphology of submicron fibers that can exhibit piezoresistive behavior by creating conductive pathways through fiber-fiber contact under compression. Therefore, poly(lactic acid) (PLA) was chosen as the matrix, and carbonaceous fillers, such as graphene nanoplatelets (xGnP), were used to improve the electrical conductivity and piezoresistive sensitivity of the composite. The xGnP were functionalized with the ionic liquid choline bitartrate (LI), which aids in the electrospinning process and in dispersing the xGnP, enhancing the conductivity and sensitivity of the nanocomposite. Two groups of samples were then developed: one with PLA/LI at different LI amounts (3%, 6%, 9%, and 12% by mass), and another with PLA/LI/1% xGnP, with the respective LI mass fractions but now containing 1% xGnP. The samples were analyzed through key tests: tensile resistance, DSC, electrical conductivity, soil degradation, and electromechanical testing. From these observations, it was found that LI increased the elastic modulus up to 40 MPa, modified recrystallization, decreasing the crystallinity to 36%, improved electrical conductivity by one order of magnitude, and, upon addition, caused the material to degrade in a shorter time frame and exhibit piezoresistive behavior. Regarding the combination of LI with xGnP, there was a significant improvement in xGnP dispersion, as evidenced by a substantial increase in electrical conductivity (by four orders of magnitude) and improved piezoresistive behavior . Based on the results, it was concluded that the PLA/LI/xGnP nanocomposite exhibited the desired piezoresistive response.