Filamentos de poli(ácido lático) com nanoplaquetas de grafeno para aplicação em impressão 3D por fusão de filamento fundido.

Abstract

A manufatura aditiva por Fabricação de Filamento Fundido (FFF) tem se consolidado como uma tecnologia acessível e versátil para a fabricação de peças com geometrias complexas. O poli(ácido lático) (PLA) é um dos termoplásticos mais utilizados nesse processo devido à sua biodegradabilidade e boa processabilidade, porém, suas propriedades mecânicas limitam aplicações mais exigentes. A incorporação de nanoplaquetas de grafeno (xGNP) surge como alternativa para melhorar o desempenho do PLA, mesmo em baixas concentrações. Este trabalho investigou a influência da adição de 0,25%, 0,50% e 0,75% em massa (%m) de xGNP nas propriedades de filamentos de PLA e corpos de prova impressos por FFF, com densidades de preenchimento de 50%, 75% e 100%. Filamentos compósitos foram preparados por extrusão e caracterizados por ensaios de tração, DSC, FTIR e condutividade elétrica. Nos filamentos, as composições com 0,25% (67,78 MPa) e 0,50% (66,70 MPa) exibiram resistência similar ao PLA puro (67,25 MPa), enquanto 0,75% de xGNP proporcionou leve incremento da tensão máxima (70,62 MPa) e do módulo elástico (2,92 GPa), acompanhado de redução da deformação na ruptura. Os filamentos apresentaram comportamento isolante (condutividade aproximadamente 10⁻¹⁰ S/cm). Nas peças impressas, a densidade de 100% proporcionou os melhores resultados mecânicos. A composição com 0,75% de xGNP destacou-se com tensão máxima de 36,57 MPa, representando ganho de 22,2% frente ao PLA puro; contudo, as amostras com 0,50% de xGNP apresentou queda nas propriedades, associada à formação de aglomerados e à ineficiente transferência de carga. Verificou-se comportamento frágil e redução da ductilidade em todas as amostras. As análises térmicas confirmaram o efeito nucleante das nanoplaquetas e a estabilidade do PLA, enquanto a condutividade elétrica dos corpos de prova (aproximadamente 10⁻⁹ S/cm) mostrou-se superior à dos filamentos, embora sem atingir o limiar de percolação elétrica.

Fused filament fabrication (FFF) additive manufacturing has consolidated itself as an accessible and versatile technology for manufacturing parts with complex geometries. Polylactic acid (PLA) is one of the most widely used thermoplastics in this process due to its biodegradability and good processability; however, its mechanical properties limit more demanding applications. The incorporation of graphene nanoplatelets (xGNP) emerges as an alternative to improve PLA performance, even at low concentrations. This study investigated the influence of adding 0.25%, 0.50%, and 0.75% by mass (wt%) of xGNP on the properties of PLA filaments and FFF-printed specimens, with infill densities of 50%, 75%, and 100%. The composites were prepared by extrusion and characterized by tensile tests, DSC, FTIR, and electrical conductivity. For the filaments, compositions with 0.25% (67.78 MPa) and 0.50% (66.70 MPa) exhibited tensile strength similar to neat PLA (67.25 MPa), while 0.75% xGNP provided a slight increase in ultimate tensile strength (70.62 MPa) and elastic modulus (2.92 GPa), accompanied by a reduction in elongation at break. The filaments showed insulating behavior (conductivity approximately 10⁻¹⁰ S/cm). For the printed parts, the 100% infill density provided the best mechanical results. The composition with 0.75% xGNP stood out with a maximum tensile strength of 36.57 MPa, representing a 22.2% gain over neat PLA; however, samples with 0.50% xGNP showed a decrease in properties, associated with the formation of agglomerates and inefficient load transfer. A brittle behavior and reduction in ductility were observed for all samples. Thermal analyses confirmed the nucleating effect of the nanoplatelets and the stability of PLA, while the electrical conductivity of the specimens (approximately 10⁻⁹ S/cm) was higher than that of the filaments, although without reaching the electrical percolation threshold.