Français
English
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Русский
Influence des paramètres de l'instrument sur l'activité électrochimique des électrodes thermoplastiques en carbone imprimées en 3D
Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 339 (2023) Citer cet article
1248 accès
8 Altmétrique
Détails des métriques
L'impression 3D offre une approche fiable pour la fabrication de capteurs électrochimiques en composite thermoplastique de carbone. De nombreuses études ont exploré l'impact des paramètres d'impression sur l'activité électrochimique des électrodes thermoplastiques en carbone, mais on connaît peu l'influence des paramètres de l'instrument, dont il a été démontré qu'ils modifient la structure et la résistance mécanique des thermoplastiques imprimés en 3D. Nous avons exploré l'impact de la température de l'extrudeuse, du diamètre de la buse et de la température du lit chauffé sur l'activité électrochimique des électrodes de noir de carbone/acide polylactique (CB/PLA). Des mesures de voltamétrie cyclique et de spectroscopie d'impédance électrochimique ont été effectuées à l'aide de sondes redox standard. La surface de l'électrode et la section transversale de l'électrode ont été visualisées par microscopie électronique à balayage. Nous avons constaté que l'utilisation de températures d'extrusion de 230 °C et 240 °C améliorait l'activité électrochimique des électrodes CB/PLA, en raison d'une augmentation de la rugosité de surface et d'une réduction du nombre de vides entre les couches d'impression. Le diamètre de la buse et la température du lit chauffé des différentes imprimantes 3D n'ont pas eu d'impact sur l'activité électrochimique des électrodes CB/PLA. Cependant, les imprimantes haut de gamme offrent une meilleure reproductibilité des lots d'électrodes. Ces résultats mettent en évidence les paramètres clés de l'instrument qui doivent être pris en compte lors de la fabrication de capteurs électrochimiques en composite thermoplastique de carbone lors de l'utilisation de l'impression 3D.
L'impression 3D en tant qu'approche de fabrication a permis de fabriquer des capteurs électrochimiques en production de masse dans différentes géométries complexes1,2,3,4,5,6,7,8. Le matériau utilisé pour fabriquer les électrodes imprimées en 3D contient un pourcentage fixe de matériau conducteur (par exemple, différentes formes de carbone) qui est mélangé avec un thermoplastique non conducteur tel que l'acide polylactique (PLA). Par conséquent, toutes les électrodes imprimées en 3D sont des électrodes composites, où une fraction de l'électrode est conductrice9,10. Historiquement, les électrodes en composite de carbone ont une grande variabilité de lot5,11,12,13,14, en raison des difficultés à fabriquer des électrodes uniformes souvent par l'homme. Cependant, la fabrication mécanique d'électrodes à l'aide de l'impression 3D offre une plus grande précision entre les lots d'électrodes et en fait donc une approche appropriée pour la fabrication reproductible d'électrodes en composite de carbone11.
Le procédé d'impression peut influencer la construction de la pièce imprimée et ainsi modifier l'activité électrochimique de l'électrode composite thermoplastique au carbone. La fabrication d'électrodes imprimées en 3D peut être influencée par les paramètres d'impression et les paramètres de l'instrument. Les paramètres d'impression affectent la structure architecturale de l'électrode lors de l'impression et les paramètres de l'instrument sont des variables qui influencent l'extrusion du filament thermoplastique de carbone. De nombreuses études se sont concentrées sur l'exploration de l'influence des paramètres d'impression, où il a été démontré que l'orientation de l'impression, la vitesse d'impression et l'épaisseur de la couche modifient l'activité électrochimique des électrodes conductrices en carbone11,15,16,17,18. Aucune étude n'a étudié l'influence des paramètres de l'instrument sur l'activité électrochimique des électrodes thermoplastiques en carbone imprimées en 3D. Cependant, des études explorant l'impact des paramètres de l'instrument ont été menées principalement sur des thermoplastiques tels que le PLA19,20,21,22,23,24,25, où des différences ont été observées lors de la modification du diamètre de la buse, du lit chauffé et de la température de l'extrudeuse. Diverses études ont montré que l'impression de pièces utilisant des diamètres de buse plus grands améliorait la résistance à la traction des pièces imprimées, bien qu'il n'y ait pas de corrélation linéaire26,27,28. On suppose que cela peut être dû à une légère augmentation potentielle de la largeur de la couche avec l'augmentation du diamètre de la buse. Des études ont également montré que la résistance à la traction des pièces imprimées en PLA augmente à mesure que la température du lit chauffant augmente. Lorsque la température du lit chauffé augmente, il y a une augmentation de la dissipation thermique d'une couche à l'autre, ce qui conduit à un post-chauffage des couches déjà collées. En raison de ce post-chauffage des couches, une plus grande diffusion d'une couche vers la couche adjacente se produit et améliore donc la résistance. Cette adhérence améliorée a été considérablement augmentée lors de l'impression de pièces à une température de lit légèrement supérieure à la température de transition vitreuse (Tg) du matériau d'impression28,29,30. Diverses études ont montré que l'utilisation de températures d'extrusion plus élevées améliorait les propriétés mécaniques de traction du PLA et du PLA en fibre de carbone. Cela a été attribué à une réduction du nombre total de vides présents entre les couches d'impression, ce qui améliore la liaison intercouche entre les couches20,25,28,31,32,33.
Des études menées sur le PLA ont mis en évidence des différences significatives dans la structure de l'électrode avec des paramètres d'instrument variables, qui ont influencé les propriétés mécaniques de la pièce imprimée, mais on ne sait pas si ces changements structurels influencent l'activité électrochimique de la pièce imprimée. Notre étude a exploré l'impact des paramètres de l'instrument sur l'activité électrochimique des électrodes de noir de carbone/acide polylactique (CB/PLA). Nous avons fabriqué des électrodes CB/PLA à différentes températures d'extrudeuse, températures de lit chauffant et différents diamètres de buse. Ces électrodes ont été étudiées en utilisant la voltamétrie cyclique et la spectroscopie d'impédance électrochimique. La surface et la section transversale des électrodes imprimées ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage. Enfin, nous avons mis en évidence les implications de nos découvertes sur la façon d'optimiser la fabrication d'électrodes CB/PLA pour les applications de détection.
De nombreuses études ont utilisé différents diamètres de buses pour fabriquer des électrodes CB/PLA1,6,34,35,36, mais on ne sait pas si cela influence l'activité électrochimique. En utilisant une température d'extrudeuse de 230 °C et une température de lit chauffant de 50 °C, nous avons étudié comment le diamètre de la buse modifiait l'activité électrochimique des électrodes CB/PLA. La figure 1A montre des voltammogrammes cycliques pour la sonde redox de sphère externe ruthénium hexaamine, où aucune différence dans les réponses n'a été observée. Lors de la comparaison des diamètres de buse de 0,3 à 0,6 mm, il n'y avait pas de différence significative dans le courant de crête cathodique (n = 7, Fig. 1B) et ΔE (n = 7, Fig. 1C). La figure 1D montre des voltammogrammes cycliques pour le ferricyanure de sonde redox de la sphère interne, où aucune différence dans les réponses n'a également été observée. Lors de la comparaison entre les diamètres de buse de 0,3 à 0,6 mm, il n'y avait pas de différence significative dans le courant de crête anodique (n = 7, Fig. 1E) et ΔE (n = 7, Fig. 1F).
Réponses d'électrodes CB/PLA imprimées en 3D à différents diamètres de buse sur des sondes redox à sphère externe et interne. (A) Voltammogrammes cycliques représentatifs de 1 mM de ruthénium hexamine dans 1 M KCl à 0,05 V s−1, (B) Courant de crête cathodique, (C) ΔE de ruthénium hexaamine (D) voltammogrammes cycliques représentatifs de 5 mM de ferricyanure dans 1 M KCl à 0,05 V s−1, (E) courant de crête anodique et (F) ΔE de ferri cyanure. Toutes les électrodes ont été imprimées à une température d'extrudeuse de 230°C et à une température de lit chauffé de 50°C. Données présentées sous forme de moyenne ± SD, où n = 7.
Le tableau 1 montre le taux de réussite en pourcentage de la fabrication de pièces imprimées qui avaient la même géométrie de l'électrode en utilisant PLA ou CB/PLA. Pour les pièces fabriquées à l'aide de PLA, il y a eu un taux de réussite de 100 % pour tous les diamètres de buse. Cependant, pour CB/PLA, il y avait une réduction significative du taux de réussite avec l'augmentation du diamètre de la buse. Ainsi, le diamètre de buse le plus élevé (0,6 mm) a eu le plus grand taux de réussite pour le PLA et le CB/PLA. Cet effet différentiel est très probablement dû à l'impact des particules de CB dans le filament CB/PLA, qui peuvent facilement obstruer les diamètres de buse plus petits. Des études ont montré que les diamètres de buse plus grands sont moins sujets au colmatage et à l'abrasion du filament pendant l'impression sur une période prolongée, permettant ainsi une durée de vie plus longue37,38.
Ces résultats mettent en évidence que lors de l'impression d'électrodes à la même épaisseur de couche en utilisant différents diamètres de buse, il n'y a pas de variation de l'activité électrochimique de l'électrode, mais l'utilisation de diamètres de buse plus grands a augmenté le taux de réussite pour la fabrication d'électrodes. Cela peut ne pas être le cas pour différentes épaisseurs de couche d'impression, qui peuvent être utilisées pour fabriquer des électrodes, étant donné qu'il existe une tolérance supérieure et inférieure pour chaque diamètre de buse.
Des études publiées ont utilisé des températures de lit chauffant de 50 et 70 °C1,11,35,39. La température de 70 °C est supérieure à la température de transition vitreuse mais a été choisie car des études ont montré que l'adhérence entre les couches augmentait lors de l'utilisation d'une température de lit légèrement supérieure à la température de transition vitreuse du matériau d'impression29,30. La figure 2A montre des voltammogrammes cycliques pour l'hexaamine de ruthénium, où aucune différence dans les réponses n'a été observée. Lors de la comparaison entre les températures du lit chauffé, il n'y avait pas de différence significative dans le courant de crête cathodique (n = 7, Fig. 2B) et ΔE (n = 7, Fig. 2C). La figure 2D montre des voltammogrammes cycliques pour le ferricyanure, où aucune différence dans les réponses n'a été observée. Lors de la comparaison entre les températures du lit chauffé, il n'y avait pas de différence significative dans le courant de crête anodique (n = 7, Fig. 2E) et ΔE (n = 7, Fig. 2F).
Réponses des électrodes CB/PLA imprimées en 3D à différentes températures de lit chauffé sur des sondes redox à sphère externe et interne. (A) Voltammogrammes cycliques représentatifs de 1 mM de ruthénium hexaamine dans 1 M KCl à 0,05 V s−1, (B) Courant de crête cathodique, (C) ΔE de ruthénium hexaamine (D) voltammogrammes cycliques représentatifs de 5 mM de ferricyanure dans 1 M KCl à 0,05 V s−1, (E) courant de crête anodique et (F) ΔE de ferri cyanure. La température de l'extrudeuse était de 230 °C et le diamètre de la buse était de 0,6 mm. Données présentées sous forme de moyenne ± SD, où n = 7.
Ces résultats mettent en évidence que la température du lit de tête n'influence pas l'activité électrochimique de nos électrodes CB/PLA imprimées en 3D, mais ce n'est pas ce qui est observé pour les pièces en PLA, où l'augmentation de la température du lit chauffé améliore l'adhérence entre les couches adjacentes et améliore ainsi la résistance de l'électrode29,30. Dans nos résultats, aucune différence dans la réponse actuelle n'a été observée, ce qui peut être dû au fait que notre électrode a été imprimée dans une orientation verticale (car cela a optimisé la conductivité de l'électrode). Dans cette orientation, seule une petite fraction de l'électrode peut avoir bénéficié de l'adhérence améliorée des températures élevées du lit chauffé. Cependant, les électrodes fabriquées avec très peu de couches d'impression peuvent être plus impactées par la température du lit de tête.
La figure 3A montre des voltamogrammes cycliques des électrodes imprimées en 3D lorsqu'elles sont évaluées à l'aide d'hexaamine de ruthénium. La figure 3B montre qu'il y avait une augmentation significative du courant de crête cathodique pour les électrodes imprimées à 230 ° C par rapport à 200 ° C, 210 ° C et 220 ° C (p <0,001, n = 7). Une augmentation significative du courant a également été observée pour les électrodes imprimées à 240 °C par rapport à 200 °C (p < 0,001), 210 °C et 220 °C (p < 0,01, n = 7). Aucune différence dans le courant de crête cathodique n'a été observée entre les électrodes imprimées à des températures d'extrudeuse de 230 °C et 240 °C (n = 7). Il n'y avait pas de différence significative dans ΔE pour les électrodes imprimées aux différentes températures de l'extrudeuse (n = 7, Fig. 3C).
Réponses d'électrodes CB/PLA imprimées en 3D à différentes températures d'extrudeuse sur des sondes redox à sphère externe et interne. (A) Voltammogrammes cycliques représentatifs de 1 mM de ruthénium hexaamine dans 1 M KCl à 0,05 V s−1, (B) Courant de crête cathodique, (C) ΔE de ruthénium hexaamine (D) voltammogrammes cycliques représentatifs de 5 mM de ferricyanure dans 1 M KCl à 0,05 V s−1, (E) courant de crête anodique et (F) ΔE de ferri cyanure. Le diamètre de la buse était de 0,6 mm et la température du lit chauffé était de 50°C. Données présentées sous forme de moyenne ± SD, où n = 7, *p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001.
Pour explorer davantage les différences entre les électrodes réalisées à différentes températures d'extrudeuse, des mesures ont été effectuées à l'aide d'une sonde redox à sphère interne de ferrocyanure. La figure 3D montre des différences nettes dans les voltamogrammes cycliques de ferrocyanure sur des électrodes fabriquées à des températures d'extrudeuse variables. La figure 3E montre les différences dans le courant de pointe anodique pour le ferrocyanure, qui a suivi un schéma similaire à celui observé pour l'hexaamine de ruthénium. Il y avait une augmentation significative du courant de crête anodique pour les électrodes imprimées à 230 ° C par rapport à 200 ° C, 210 ° C et 220 ° C (p <0, 001, n = 7, Fig. 3E). Une augmentation significative du courant de crête anodique a également été observée pour les électrodes imprimées à 240 °C par rapport à 200 °C, 210 °C et 220 °C (p < 0,001, n = 7). Aucune différence dans le courant de crête anodique n'a été observée entre les électrodes imprimées à des températures d'extrudeuse de 230 ° C et 240 ° C (n = 7, Fig. 3E). La surface électroactive calculée à l'aide de l'équation de Randles – Ševčík a montré que pour l'électrode fabriquée à des températures d'extrudeuse de 230 ° C, la surface active était de 0, 157 ± 0, 01 cm2, ce qui équivaut à 20, 0 ± 1, 6% de l'électrode (tableau supplémentaire 1). La figure 3F montre que ΔE était significativement plus faible pour les électrodes imprimées à 230 oC par rapport à 200 oC (p < 0,001), 210 oC (p < 0,001) et 220 oC (p < 0,01, n = 7). Une diminution significative de ΔE a également été observée pour les électrodes imprimées à 240 ° C par rapport à 200 ° C (p <0, 05) et 210 ° C (p <0, 001, n = 7, Fig. 3F). La cinétique de transfert d'électrons hétérogène (HET, k°) a été calculée sur la base de la méthode de Nicholson40, a montré que pour l'électrode fabriquée à des températures d'extrudeuse de 230 °C, le k° était de 5,9 × 10−5 ± 9,3 × 10−6 cm s−1 (tableau supplémentaire 2).
Nos résultats mettent en évidence que les électrodes CB/PLA fabriquées à des températures d'extrudeuse de 230 °C et 240 °C avaient une activité électrochimique améliorée. Cela suggère qu'il y a une surface électroactive accrue à mesure que la température de l'extrudeuse augmente. Cela peut être dû à des augmentations de la surface d'électrode et/ou à la présence d'un plus grand nombre de voies conductrices en raison d'une réduction de la taille/du nombre de vides entre les couches d'impression dans les électrodes imprimées à des températures plus élevées.
Puisqu'il y avait une différence significative dans l'activité électrochimique des électrodes fabriquées à différentes températures de l'extrudeuse, nous avons recherché si ces changements étaient dus à des variations de la surface de l'électrode en effectuant des mesures de spectroscopie de capacité et d'impédance électrochimique.
Comme la capacité est directement proportionnelle à la zone électroactive à la surface de l'électrode, nous avons mesuré la capacité par voltamétrie cyclique. Les voltammogrammes dans du KCl 1 M sont présentés sur la figure 4A pour des électrodes fabriquées à différentes températures d'extrudeuse. Il y a eu une augmentation significative de la capacité des électrodes imprimées à 230 ° C par rapport à 200 ° C (p <0, 001), 210 ° C (p < 0, 001) et 220 ° C (p < 0, 05, n = 7, Fig. 4B). Une augmentation significative de la capacité a également été observée pour les électrodes imprimées à 240 °C par rapport à 200 °C (p < 0,001), 210 °C (p < 0,001) et 220 °C (p < 0,01, n = 7). Aucune différence de capacité n'a été observée entre les électrodes imprimées à des températures d'extrudeuse de 230 ° C et 240 ° C (n = 7, Fig. 4B).
Comparaison de la capacité et de la résistivité des électrodes imprimées en 3D fabriquées à l'aide de différentes températures d'extrudeuse où le diamètre de la buse était de 0,6 mm et la température du lit chauffé était de 50 °C. (A) Les voltammogrammes cycliques dans 1 M KCl à 0,1 V s-1 (B) les données de capacité globale pour les électrodes varient en vitesse d'impression. (C) Tracés de Nyquist pour les électrodes réalisées à différentes vitesses d'impression. (D) Réponses globales pour la résistance de transfert de charge (Rct). Données présentées sous forme de moyenne ± SD, où n = 7, *p < 0,05, **p < 0,01 et ***p < 0,001.
Les tracés de Nyquist pour les électrodes réalisées à différentes températures d'extrudeuse sont illustrés à la figure 4C, où la résistance de transfert de charge interfaciale (Rct) a été obtenue. Il y avait une diminution significative du Rct sur les électrodes imprimées à 230 ° C par rapport à 200 ° C, 210 ° C et 220 ° C (p <0, 001, n = 7, Fig. 2D). Une diminution significative du Rct a également été observée pour les électrodes imprimées à 240 ° C par rapport à 200 ° C (p <0, 001), 210 ° C (p < 0, 001) et 220 ° C (p < 0, 01, n = 7, Fig. 4D). Aucune différence dans le Rct n'a été observée entre les électrodes imprimées à des températures d'extrudeuse de 230 ° C et 240 ° C (n = 7, Fig. 4D). Nos résultats mettent en évidence que Rct diminue et que la capacité augmente sur les électrodes CB/PLA lorsqu'elles sont imprimées à des températures d'extrudeuse plus élevées. Ces résultats appuient les études voltamétriques menées à l'aide de sondes redox lors de l'exploration de l'impact de la température de l'extrudeuse. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que lorsque les électrodes sont imprimées à des températures d'extrudeuse inférieures, il existe une surface électroactive réduite en raison de différences dans la surface d'électrode et/ou d'un nombre réduit de voies conductrices présentes en raison d'un nombre et/ou d'une taille accrus de vides entre les couches d'impression, ce qui rendrait les électrodes imprimées à des températures d'extrudeuse inférieures plus résistantes.
Des images SEM ont été obtenues pour comprendre s'il y avait une différence observée dans l'activité électrochimique due aux variations de la surface de l'électrode. La figure 5A montre la réponse de quatre couches d'impression individuelles sur la surface de l'électrode CB/PLA après un prétraitement électrochimique dans NaOH. Aucune différence visible évidente n'a été observée dans la largeur de chaque couche d'impression et la profondeur du demi-cercle convexe formé par les couches d'impression lors de la comparaison des différentes électrodes fabriquées par différentes températures d'extrudeuse. Pour mieux comprendre la rugosité de la surface de l'électrode, une analyse du profil d'image a été effectuée sur l'image SEM, où les réponses sont présentées sur la figure 5B. Les valeurs de gris sont une mesure de l'échelle de gris, les valeurs les plus petites étant plus proches du blanc et les valeurs les plus grandes étant plus proches du noir. La rugosité de surface moyenne (Ra) sur 3 couches d'impression de la surface de l'électrode a été obtenue. Il y avait une augmentation progressive de la rugosité de la surface de l'électrode avec l'augmentation de la température de l'extrudeuse (Fig. 5C). Il y avait une augmentation significative de la rugosité de l'électrode imprimée à des températures d'extrudeuse de 240 ° C par rapport à 220 ° C, 210 ° C (p < 0,01) et 200 ° C (p < 0,001, n = 6). Il y avait également une augmentation significative de la rugosité de l'électrode imprimée à 230 °C par rapport à 200 °C (p < 0,05, n = 6). Ces découvertes indiquent qu'il y a des augmentations de la rugosité de l'électrode, ce qui peut potentiellement augmenter la surface électroactive entraînant l'activité électrochimique accrue observée à des températures d'extrudeuse plus élevées.
Analyse de la surface de l'électrode CB/PLA. (A) Imagerie par microscopie électronique à balayage de quatre couches d'impression de la surface de l'électrode CB/PLA réalisée à différentes températures d'extrudeuse. (B) L'analyse du profil de surface d'une seule couche d'impression et (C) l'analyse de la rugosité de surface moyenne (Ab) mesurée en valeurs de gris obtenues à partir de trois couches d'impression de l'électrode. Données présentées sous forme de moyenne ± SD, où n = 6, *p < 0,05, **p < 0,01 et ***p < 0,001.
Des images SEM de la section transversale de l'électrode ont été réalisées pour comprendre comment les couches d'impression qui ont formé l'électrode ont adhéré ensemble (Fig. 6). Lors de la comparaison de l'adhérence entre les couches d'impression, il y avait une présence claire de vides entre les couches d'impression dans les électrodes imprimées à 220 ° C et moins, la taille de ces vides augmentant et l'ordre structurel des couches d'impression diminuant à des températures d'extrudeuse plus basses. Cela suggère que l'adhérence entre les couches d'impression est réduite avec des températures d'extrudeuse plus basses. Ces résultats indiquent fortement que l'activité électrochimique réduite à des températures d'extrudeuse plus basses est également due à la présence de vides et à une mauvaise adhérence entre les couches d'impression, ce qui réduit la probabilité de former des voies conductrices de la connexion ohmique à la surface de l'électrode. Ces résultats corroborent ceux observés dans d'autres études menées à l'aide de pièces en PLA, où la présence de vides entre les couches d'impression a été observée avec des températures d'extrusion plus basses20,31,32.
Imagerie par microscopie électronique à balayage de la section interne d'électrodes CB/PLA fabriquées à différentes températures d'extrudeuse. Les flèches mettent en évidence la présence de vides entre les couches d'impression au sein de la structure d'électrode.
Une grande variété d'imprimantes 3D ont été utilisées pour fabriquer des électrodes imprimées, dont les tolérances d'instrument sont variées41. En utilisant les paramètres instrumentaux optimisés dans cette étude, nous avons comparé trois imprimantes 3D différentes. La Creality Ender 3 est la moins chère et largement utilisée par les amateurs, la Flashforge Creator Pro est une imprimante à usage moyen et enfin la Raise3D Pro2 est une imprimante à usage haut de gamme. La figure 2 supplémentaire a montré qu'il n'y avait pas de différences structurelles dans les couches d'impression à la surface des électrodes CB/PLA réalisées à l'aide de différentes imprimantes. La figure 7A montre des voltamogrammes cycliques pour l'hexaamine de ruthénium, où aucune différence dans les réponses n'a été observée. Lors de la comparaison des différentes imprimantes 3D, il n'y avait pas de différence significative dans le courant de crête cathodique (n = 7, Fig. 7B) et ΔE (n = 7, Fig. 7C). La figure 7D montre des voltammogrammes cycliques pour le ferricyanure, où aucune différence dans les réponses n'a également été observée. Lors de la comparaison entre les imprimantes 3D, il n'y avait pas de différence significative dans le courant de crête anodique (n = 7, Fig. 7E) et ΔE (n = 7, Fig. 7F). Cependant, d'après les données, il y avait une nette différence dans la précision, où l'écart type relatif était de 6,7 % sur l'imprimante Creality Ender 3 mais réduit à 3,7 % sur la Flashforge Creator Pro et 3,3 % sur la Raise 3D Pro2. Par conséquent, ces résultats mettent en évidence que différentes imprimantes 3D n'ont aucun effet global sur la cinétique de transfert de courant ou d'électrons, mais les imprimantes haut de gamme sont plus susceptibles de fournir une plus grande précision dans l'impression, ce qui améliorera la reproductibilité des lots.
Réponses des électrodes CB/PLA réalisées à l'aide de différentes imprimantes 3D. (A) Voltammogrammes cycliques représentatifs de 1 mM de ruthénium hexaamine dans 1 M KCl à 0,05 V s−1, (B) Courant de crête cathodique, (C) ΔE de ruthénium hexaamine (D) voltammogrammes cycliques représentatifs de 5 mM de ferricyanure dans 1 M KCl à 0,05 V s−1, (E) courant de crête anodique et (F) ΔE de ferri cyanure. La température de l'extrudeuse était de 230°C, la température du lit chauffé était de 50°C et le diamètre de la buse était de 0,6 mm. Données présentées sous forme de moyenne ± SD, où n = 7.
L'impression 3D est apparue comme une approche simple et efficace pour la fabrication d'électrodes conductrices en carbone pour les applications de détection. Des études menées sur des thermoplastiques imprimables en 3D ont montré que les paramètres de l'instrument de l'imprimante 3D peuvent avoir une influence significative sur la résistance mécanique de l'électrode. Cependant, aucune étude à ce jour n'a étudié l'influence des paramètres de l'instrument de l'imprimante 3D sur l'activité électrochimique des électrodes CB/PLA. Des températures d'extrudeuse de 230 °C et 240 °C ont amélioré l'activité électrochimique des électrodes CB/PLA en raison d'une augmentation de la rugosité de la surface de l'électrode et d'une réduction du nombre de vides entre les couches d'impression. Différents diamètres de buse ou variations de la température du lit chauffé n'ont pas altéré l'activité électrochimique des électrodes CB/PLA. Différentes imprimantes 3D n'ont pas modifié l'activité électrochimique des électrodes CB/PLA, mais les imprimantes 3D haut de gamme ont réduit la variabilité au sein d'un lot d'électrodes. Nos résultats soulignent que lors de la fabrication de thermoplastiques conducteurs à l'aide de l'impression 3D, les paramètres de l'instrument doivent être pris en compte pour optimiser les performances du capteur électrochimique imprimé pour les études analytiques.
Le filament CB/PLA (commercialisé sous le nom de pâtes Proto, a été acheté chez filaprint, Royaume-Uni) a été utilisé pour fabriquer des cylindres de 3 mm de hauteur et de 10 mm de diamètre à l'aide d'une imprimante Creality Ender 3. Pour les paramètres d'impression, nous avons utilisé deux coques périmétriques extérieures, un remplissage à 100 %, une épaisseur de couche d'impression de 0,1 mm, une vitesse d'impression de 60 mm/s et une orientation verticale. Des études antérieures ont mis en évidence que ces paramètres améliorent la conductivité des électrodes CB/PLA11,15,34. Pour étudier l'impact du diamètre de la buse, toutes les électrodes ont été imprimées à une température d'extrudeuse de 230 ° C et à une température de lit chauffé de 50 ° C, en utilisant des diamètres de buse de 0, 3 à 0, 6 mm. Pour comprendre l'impact de la température du lit chauffé, des électrodes ont été imprimées à 50 °C et 70 °C, où la température de l'extrudeuse était de 230 °C et le diamètre de la buse était de 0,6 mm. Pour explorer l'influence de la température de l'extrudeuse, des cylindres ont été fabriqués à des températures de 200 à 240 °C. Cette gamme a été choisie car elle était indiquée comme la gamme de travail du filament CB/PLA par le fabricant. Le diamètre de la buse était de 0,6 mm et la température du lit chauffé était de 50°C. Pour comparer les imprimantes 3D, les électrodes ont été fabriquées en utilisant un diamètre de buse de 0,6 mm, une température de lit chauffant de 50 °C et une température d'extrudeuse de 230 °C sur chaque machine. Parallèlement à la Creality Ender 3, nous avons utilisé les imprimantes Flashforge Creator Pro et Raise3D Pro2.
Comme indiqué précédemment18, la connexion électrique a été réalisée en attachant un fil de cuivre à l'aide d'époxyde d'argent conducteur (CircuitWorks) aux cylindres CB/PLA. Celui-ci a ensuite été scellé à l'aide d'un pistolet à colle pour former une isolation autour de l'électrode afin d'exposer uniquement le disque du cylindre. La Fig. 1 supplémentaire fournit un schéma mettant en évidence l'approche de fabrication des électrodes CB/PLA et des photographies de l'électrode finale utilisée pour les investigations électrochimiques.
Les mesures SEM ont été effectuées sur la base d'une approche publiée précédemment18. En bref, les électrodes CB / PLA ont été imagées à l'aide d'un pistolet à émission de champ Zeiss SIGMA SEM équipé d'un détecteur Everhart – Thornley fonctionnant en mode de détection d'électrons secondaires, en utilisant une tension d'accélération de 5 kV, une ouverture de 20 µm et une distance de travail de 8, 1 mm. La surface des électrodes a été imagée après un prétraitement électrochimique dans du NaOH. Pour étudier la section transversale de la structure d'électrode de l'électrode, un cube CB/PLA de 1 cm a été imprimé sans aucune coque de périmètre extérieur.
Un système à trois électrodes a été utilisé pour effectuer des mesures électrochimiques, où la contre-électrode était un fil de platine, l'électrode de référence était Ag|AgCl (3 M KCl) et l'électrode de travail était nos différentes électrodes CB/PLA imprimées en 3D. Pour mener des expériences électrochimiques, un potentiostat CH 760E (CH instruments, Texas) a été utilisé.
Avant de mener des études expérimentales, un prétraitement électrochimique a été effectué sur les surfaces des électrodes dans du NaOH 0,5 M en maintenant le potentiel à + 1,4 V vs Ag|AgCl pendant 200 s, puis à - 1,0 V vs Ag|AgCl pendant 200 s6,7.
Les mesures ont été effectuées dans de l'hexaamine de ruthénium 1 mM dans du KCl 1 M où la fenêtre de potentiel utilisée était de 0, 1 V à - 0, 5 V vs Ag | AgCl. Pour les études dans du ferricyanure 5 mM dans du KCl 1 M, la fenêtre de potentiel était de + 0,7 à - 0,3 V vs Ag | AgCl pour le ferricyanure. Toutes les expériences ont été réalisées en utilisant une vitesse de balayage de 50 mV/s.
Des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont été effectuées pour obtenir la résistance de transfert de charge. Les mesures ont été effectuées dans du ferricyanure de potassium 0,5 mM et du ferrocyanure de potassium 0,5 mM dans du KCl 1 M à un potentiel égal au potentiel du pic anodique. Une gamme de fréquences de 100 kHz à 0,01 Hz et une amplitude de 5 mV ont été utilisées. La capacité a été mesurée dans 1 M KCl à 100 mV/s dans la fenêtre de potentiel de - 0,1 à + 0,5 V vs Ag|AgCl et les calculs ont été effectués à 0,3 V.
Les mesures de voltamétrie cyclique ont été analysées pour le potentiel de crête anodique/cathodique, la différence entre le potentiel de crête anodique et cathodique (ΔE) et le courant de crête anodique/cathodique à l'aide du logiciel CHI 760E (CH instruments, Texas). Pour mesurer la capacité, la différence moyenne des courants anodique et cathodique (Δi) à 0,3 V a été divisée par deux fois la vitesse de balayage (2v). Celle-ci a ensuite été normalisée par la surface géométrique de l'électrode qui était de 0,785 cm242.
Pour comprendre les différences de rugosité de l'électrode CB/PLA, une analyse du profil d'image a été effectuée à l'aide du logiciel Image J 1.53e (NIH, USA), dans lequel le profil de surface de la surface de l'électrode a été obtenu sous forme de valeurs de gris. La rugosité de surface moyenne (Ra) sur 3 couches d'impression de la surface de l'électrode a été obtenue et comparée entre les électrodes réalisées par différents réglages d'instrument. Les données ont été présentées sous forme de moyenne ± l'écart type (SD). L'analyse statistique (GraphPad Prism 9.0) a été réalisée à l'aide de tests t de Student et d'une ANOVA à deux voies avec des tests post hoc Sidak.
Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.
Katseli, V., Economou, A. & Kokkinos, C. Fabrication en une seule étape d'un dispositif intégré imprimé en 3D pour les applications de détection électrochimique. Électrochimie. Commun. 103, 100–103. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2019.05.008 (2019).
Article CAS Google Scholar
Nadagouda, MN, Ginn, M. & Rastogi, V. Un examen des techniques d'impression 3D pour les applications environnementales. Courant. Avis. Chim. Ing. 28, 173–178. https://doi.org/10.1016/j.coche.2020.08.002 (2020).
Article Google Scholar
O'Neil, GD Vers une production en une seule étape de dispositifs électrochimiques fonctionnels à l'aide de l'impression 3D : Progrès, défis et opportunités. Courant. Avis. Électrochimie. 20, 60–65. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2020.02.023 (2020).
Article CAS Google Scholar
Han, T., Kundu, S., Nag, A. & Xu, Y. Capteurs imprimés en 3D pour les applications biomédicales : Une revue. Sensors (Bâle) 19, 1706. https://doi.org/10.3390/s19071706 (2019).
Article ADS CAS Google Scholar
Cardoso, RM et al. Capteurs électrochimiques fabriqués par additif (imprimés en 3D) : un examen critique. Anal. Chim. Acta 1118, 73–91. https://doi.org/10.1016/j.aca.2020.03.028 (2020).
Article CAS Google Scholar
Richter, EM et al. Plate-forme complète de détection électrochimique fabriquée de manière additive (imprimée en 3D). Anal. Chim. 91, 12844–12851. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b02573 (2019).
Article CAS Google Scholar
Shergill, RS, Farlow, A., Perez, F. & Patel, BA Pilon et mortier électrochimiques imprimés en 3D pour l'identification des comprimés pharmaceutiques falsifiés. Microchim. Acta 189, 100. https://doi.org/10.1007/s00604-022-05202-y (2022).
Article CAS Google Scholar
Ataide, VN et al. Capteur imprimé en 3D d'acide polylactique intégré au carbone/noir fabriqué de manière additive pour la quantification simultanée de l'acide urique et du zinc dans la sueur. Mikrochim Acta 188, 388. https://doi.org/10.1007/s00604-021-05007-5 (2021).
Article CAS Google Scholar
Gonçalves, C., Gonçalves, IC, Magalhães, FD & Pinto, AM Composites de poly(acide lactique) contenant des nanomatériaux à base de carbone : une revue. Polymères 9, 269. https://doi.org/10.3390/polym9070269 (2017).
Article CAS Google Scholar
Awasthi, P. & Banerjee, SS Modélisation par dépôt fondu de matériaux élastomères thermoplastiques : défis et opportunités. Ajouter. Fab. 46, 102177. https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102177 (2021).
Article CAS Google Scholar
Singh Shergill, R., Perez, F., Abdalla, A. et Anil Patel, B. Comparaison des surfaces d'électrodes natives imprimées en 3D prétraitées électrochimiquement et polies mécaniquement pour la détection analytique. J. Electroanal. Chim. 905, 115994. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2021.115994 (2022).
Article CAS Google Scholar
Abdalla, A. & Patel, BA Capteurs électrochimiques imprimés en 3D : Un nouvel horizon pour la mesure des biomolécules. Courant. Avis. Électrochimie. 20, 78–81. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2020.04.009 (2020).
Article CAS Google Scholar
Ambrosi, A. & Pumera, M. Technologies d'impression 3D pour les applications électrochimiques. Chim. Soc. Rév. 45, 2740–2755. https://doi.org/10.1039/C5CS00714C (2016).
Article CAS Google Scholar
Cano-Vicent, A. et al. Modélisation des dépôts en fusion : Etat des lieux, méthodologie, applications et perspectives d'avenir. Ajouter. Fab. 47, 102378. https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102378 (2021).
Article CAS Google Scholar
Bin Hamzah, HH, Keattch, O., Covill, D. & Patel, BA Les effets de l'orientation de l'impression sur le comportement électrochimique des électrodes d'acrylonitrile butadiène styrène (ABS)/noir de carbone imprimées en 3D. Sci. Rep. 8, 9135. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27188-5 (2018).
Article ADS CAS Google Scholar
Yao, T., Deng, Z., Zhang, K. & Li, S. Une méthode pour prédire la résistance à la traction ultime des matériaux d'impression 3D à base d'acide polylactique (PLA) avec différentes orientations d'impression. Compos. B Ing. 163, 393–402. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.01.025 (2019).
Article CAS Google Scholar
Kuznetsov, VE, Solonin, AN, Urzhumtsev, OD, Schilling, R. & Tavitov, AG Résistance des composants PLA fabriqués avec la technologie de dépôt par fusion à l'aide d'une imprimante 3D de bureau en fonction des paramètres géométriques du processus. Polymères 10, 313. https://doi.org/10.3390/polym10030313 (2018).
Article CAS Google Scholar
Shergill, R. & Patel, BA Les effets de la vitesse d'impression par extrusion de matériau sur l'activité électrochimique des électrodes de noir de carbone/acide polylactique. ChemElectroChem https://doi.org/10.1002/celc.202200831 (2022).
Article Google Scholar
Hsueh, M.-H. et coll. Effet des paramètres d'impression sur les propriétés thermiques et mécaniques du PLA et du PETG imprimés en 3D, à l'aide de la modélisation par dépôt fondu. Polymères 13, 1758. https://doi.org/10.3390/polym13111758 (2021).
Article CAS Google Scholar
Wang, P., Zou, B., Xiao, H., Ding, S. & Huang, C. Effets des paramètres d'impression de la modélisation par dépôt de fusion sur les propriétés mécaniques, la qualité de surface et la microstructure du PEEK. J. Mater. Processus. Technol. 271, 62–74. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.03.016 (2019).
Article CAS Google Scholar
Dou, H. et al. Effet des paramètres de processus sur les propriétés mécaniques en traction des composites PLA renforcés de fibres de carbone continus d'impression 3D. Matériaux 13, 3850 (2020).
Article ADS CAS Google Scholar
Khosravani, MR, Božić, Ž, Zolfagharian, A. & Reinicke, T. Analyse des défaillances des composants en PLA imprimés en 3D : impact des défauts de fabrication et du vieillissement thermique. Ing. Échouer. Anal. 136, 106214. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2022.106214 (2022).
Article CAS Google Scholar
Wang, J. et al. Effets de la stratégie de balayage et de la température d'impression sur les comportements en compression de composites à base de polyamide imprimés en 3D. Polymères 12, 1783. https://doi.org/10.3390/polym12081783 (2020).
Article CAS Google Scholar
Pivar, M., Gregor-Svetec, D. & Muck, D. Effet des paramètres du processus d'impression sur la capacité de transformation de forme des structures imprimées en 3D. Polymers (Bâle) 14, 117. https://doi.org/10.3390/polym14010117 (2021).
Article CAS Google Scholar
Abeykoon, C., Sri-Amphhorn, P. & Fernando, A. Optimisation des paramètres de modélisation de dépôt de fusion pour des structures imprimées 3D PLA et ABS améliorées. Int. J. Mater léger. Fab. 3, 284-297 (2020).
Google Scholar
Triyono, J., Sukanto, H., Saputra, RM & Smaradhana, DF L'effet du diamètre du trou de la buse de l'impression 3D sur la porosité et la résistance à la traction des pièces utilisant un matériau à base d'acide polylactique. Ouvrir Eng. 10, 762–768 (2020).
Article CAS Google Scholar
Tezel, T. & Kovan, V. Détermination des paramètres de production optimaux pour les imprimantes 3D en fonction du diamètre de la buse. Prototype rapide. J. https://doi.org/10.1108/RPJ-08-2020-0185 (2021).
Article Google Scholar
Pentek, A. et al. L'effet des paramètres d'impression sur la conductivité électrique et les propriétés mécaniques des composites de carbone à base de PLA et d'ABS dans la fabrication additive de prothèses du membre supérieur. Cristaux 10, 398 (2020).
Article CAS Google Scholar
Khatwani, J. & Srivastava, V. In 3D Printing and Additive Manufacturing Technologies (eds Kumar, LJ et al.) 95–104 (Springer Singapour, 2019).
Google Scholar
Spoerk, M., Gonzalez-Gutierrez, J., Sapkota, J., Schuschnigg, S. & Holzer, C. Effet de la température du lit d'impression sur l'adhérence des pièces produites par la fabrication de filaments fondus. Plast. Compositions en caoutchouc. 47, 17-24 (2018).
Article ADS CAS Google Scholar
Tao, Y. et al. Une revue sur les vides des pièces imprimées en 3D par fabrication de filaments fondus. J. Mater. Rés. Technol. 15, 4860–4879. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.10.108 (2021).
Article CAS Google Scholar
Abbott, AC, Tandon, GP, Bradford, RL, Koerner, H. & Baur, JW Effets des propriétés du processus-structure sur la force de liaison ABS dans la fabrication de filaments fondus. Ajouter. Fab. 19, 29–38. https://doi.org/10.1016/j.addma.2017.11.002 (2018).
Article CAS Google Scholar
Goh, GD, Toh, W., Yap, YL, Ng, TY et Yeong, WY Thermoplastique continu renforcé de fibres de carbone fabriqué de manière additive pour des structures de véhicules aériens sans pilote optimisées pour la topologie. Compos. Partie B Ing. 216, 108840. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108840 (2021).
Article CAS Google Scholar
Abdalla, A., Hamzah, HH, Keattch, O., Covill, D. & Patel, BA Augmentation des voies conductrices dans les électrodes imprimées en noir de carbone/PLA en 3D grâce à des paramètres d'impression variables. Électrochim. Acta 354, 136618. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136618 (2020).
Article CAS Google Scholar
Kalinke, C., Neumsteir, NV, Roberto de Oliveira, P., Janegitz, BC & Bonacin, JA Détection de L-méthionine dans des échantillons biologiques grâce à des électrodes entièrement imprimées en 3D. Anal. Chim. Acta 1142, 135–142. https://doi.org/10.1016/j.aca.2020.10.034 (2021).
Article CAS Google Scholar
Manzanares Palenzuela, CL, Novotný, F., Krupička, P., Sofer, Z. & Pumera, M. Les électrodes de graphène/acide polylactique imprimées en 3D promettent une sensibilité élevée en électroanalyse. Anal. Chim. 90, 5753–5757. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.8b00083 (2018).
Article CAS Google Scholar
Gnanasekaran, K. et al. Impression 3D de nanocomposites polymères conducteurs à base de NTC et de graphène par modélisation par dépôt fusionné. Appl. Mater. Aujourd'hui 9, 21–28. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2017.04.003 (2017).
Article Google Scholar
Ye, W. et al. Impression 3D de composites polyimides thermoplastiques renforcés de nanotubes de carbone aux performances mécaniques et électriques contrôlables. Compos. Sci. Technol. 182, 107671 (2019).
Article CAS Google Scholar
Liyarita, BR, Ambrosi, A. & Pumera, M. Électrodes imprimées en 3D pour la détection de molécules biologiquement actives. Électroanalyse 30, 1319–1326. https://doi.org/10.1002/elan.201700828 (2018).
Article CAS Google Scholar
Nicholson, RS Théorie et application de la voltamétrie cyclique pour la mesure de la cinétique de réaction des électrodes. Anal. Chim. 37, 1351-1355 (1965).
Article CAS Google Scholar
Tully, JJ & Meloni, GN Guide du scientifique pour l'achat d'une imprimante 3D : Comment choisir la bonne imprimante pour votre laboratoire. Anal. Chim. 92, 14853–14860. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c03299 (2020).
Article CAS Google Scholar
Abdalla, A., Perez, F., Cañadas, AT, Ray, S. & Patel, BA Comment les facteurs de normalisation influencent les interprétations des capteurs imprimés en 3D pour l'électroanalyse. J. Electroanal. Chim. 881, 114937. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2020.114937 (2021).
Article CAS Google Scholar
Télécharger les références
Les auteurs tiennent à remercier Bryony Butterworth pour son soutien à l'analyse des données, ainsi que l'EPSRC (EP/V028391/1) pour le financement qui a soutenu cette étude.
École des sciences appliquées, Brighton, BN2 4GJ, Royaume-Uni
Ricoveer Singh Shergill, Chloe L. Miller et Bhavik Anil Patel
Centre pour le stress et les maladies liées à l'âge, Brighton, BN2 4GJ, Royaume-Uni
Ricoveer Singh Shergill, Chloe L. Miller et Bhavik Anil Patel
Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar
Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar
Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar
RSS : Méthodologie, Enquête, Validation, Analyse formelle, Rédaction - ébauche originale. CLM : Enquête, Analyse formelle. BAP : Conceptualisation, Méthodologie, Ressources, Analyse formelle, Rédaction - révision et édition, Supervision, Administration du projet.
Correspondance avec Bhavik Anil Patel.
Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.
Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.
Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
Réimpressions et autorisations
Shergill, RS, Miller, CL & Patel, BA Influence des paramètres de l'instrument sur l'activité électrochimique des électrodes thermoplastiques en carbone imprimées en 3D. Sci Rep 13, 339 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27656-7
Télécharger la citation
Reçu : 16 novembre 2022
Accepté : 05 janvier 2023
Publié: 07 janvier 2023
DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-27656-7
Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :
Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.
Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt
En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.