3D 프린팅된 탄소 열가소성 전극의 전기화학적 활동에 대한 기기 매개변수의 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 339(2023) 이 기사 인용

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3D 프린팅은 탄소 열가소성 복합 전기화학 센서 제조를 위한 신뢰할 수 있는 접근 방식을 제공합니다. 많은 연구에서 인쇄 매개변수가 탄소 열가소성 전극의 전기화학적 활성에 미치는 영향을 조사했지만 3D 인쇄 열가소성 수지의 구조와 기계적 강도를 변경하는 것으로 밝혀진 기기 매개변수의 영향에 대해서는 제한적인 것으로 알려져 있습니다. 우리는 압출기 온도, 노즐 직경 및 가열층 온도가 카본 블랙/폴리유산(CB/PLA) 전극의 전기화학적 활성에 미치는 영향을 조사했습니다. 순환 전압전류법 및 전기화학적 임피던스 분광법 측정은 표준 산화환원 프로브를 사용하여 수행되었습니다. 전극 표면과 전극의 단면은 주사전자현미경을 사용하여 시각화되었습니다. 우리는 230°C와 240°C의 압출기 온도를 사용하면 표면 거칠기가 증가하고 인쇄층 사이의 공극 수가 감소하여 CB/PLA 전극의 전기화학적 활성이 향상된다는 것을 발견했습니다. 다양한 3D 프린터의 노즐 직경, 히팅베드 온도는 CB/PLA 전극의 전기화학적 활성에 영향을 미치지 않았습니다. 그러나 고급 프린터는 향상된 전극 배치 재현성을 제공합니다. 이러한 발견은 3D 프린팅을 사용할 때 탄소 열가소성 복합 전기화학 센서를 제조할 때 고려해야 할 주요 기기 매개변수를 강조합니다.

제조 접근 방식으로서의 3D 프린팅은 다양하고 복잡한 형상1,2,3,4,5,6,7,8에서 대량 생산 시 전기화학 센서를 만드는 기능을 제공했습니다. 3D 인쇄 전극을 만드는 데 사용되는 재료에는 폴리유산(PLA)과 같은 비전도성 열가소성 물질과 혼합된 전도성 재료(예: 다양한 형태의 탄소)가 고정된 비율로 포함되어 있습니다. 따라서 모든 3D 인쇄 전극은 전극의 일부가 전도성인 복합 전극입니다. 역사적으로 탄소 복합 전극은 수동 제조로 균일한 전극을 만드는 데 어려움이 있기 때문에 배치 가변성이 높습니다. 그러나 3D 프린팅을 사용하여 전극을 기계로 제조하면 전극 배치 간에 더 높은 정밀도가 제공되므로 탄소 복합 전극11의 재현 가능한 제조에 적합한 접근 방식이 됩니다.

인쇄 공정은 인쇄된 부품의 구성에 영향을 미칠 수 있으므로 탄소 열가소성 복합 전극의 전기화학적 활성을 변경할 수 있습니다. 3D 인쇄된 전극의 제조는 인쇄 매개변수 및 기기 매개변수의 영향을 받을 수 있습니다. 인쇄 매개변수는 인쇄 시 전극의 구조적 구조에 영향을 미치며 기기 매개변수는 탄소 열가소성 필라멘트의 압출에 영향을 미치는 변수입니다. 많은 연구에서는 인쇄 방향, 인쇄 속도 및 층 두께가 탄소 전도성 전극의 전기화학적 활성을 변경하는 것으로 나타난 인쇄 매개변수의 영향을 탐색하는 데 중점을 두었습니다. 3D 프린팅된 탄소 열가소성 전극의 전기화학적 활성에 대한 기기 매개변수의 영향을 조사한 연구는 없습니다. 그러나 기기 매개변수의 영향을 조사하는 연구는 주로 PLA19,20,21,22,23,24,25와 같은 열가소성 수지에 대해 수행되었으며, 노즐 직경, 가열 베드 및 압출기 온도를 변경할 때 차이가 관찰되었습니다. 다양한 연구에 따르면 더 큰 노즐 직경을 사용하는 부품을 인쇄하면 인쇄된 부품의 인장 강도가 향상되지만 선형 상관 관계는 없는 것으로 나타났습니다. 이는 노즐 직경이 증가함에 따라 층의 폭이 약간 증가할 가능성이 있기 때문일 수 있다고 가정됩니다. 또한 연구에 따르면 히팅베드 온도가 증가함에 따라 PLA 인쇄 부품의 인장 강도가 증가하는 것으로 나타났습니다. 히팅베드 온도가 증가함에 따라 한 층에서 다른 층으로의 열 방출이 증가하며, 이는 이미 접착된 층의 후열로 이어집니다. 이러한 층의 후가열로 인해 한 층이 인접한 층으로 더 많이 확산되어 강도가 향상됩니다. 이러한 향상된 접착력은 인쇄 재료의 유리 전이 온도(Tg)보다 약간 높은 베드 온도에서 부품을 인쇄할 때 크게 증가했습니다. 다양한 연구에 따르면 더 높은 압출기 온도를 사용하면 탄소 섬유 PLA 및 PLA의 인장 기계적 특성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 이는 인쇄 층 사이에 존재하는 공극의 총 개수가 감소하여 층간 층간 결합이 향상되었기 때문입니다20,25,28,31,32,33.