Desenvolvimento de uma matriz de sensores piezoresistivos baseados em técnicas de impressão

Abstract

A implementação de materiais inteligentes nomeadamente piezoresistivos, numa grande variedade de aplicações que vão desde componentes para automóveis a dispositivos médicos, é uma prática cada vez mais comum. De uma forma particular, a utilização de matrizes poliméricas reforçadas com materiais condutores tem-se vindo a tornar uma opção interessante para o desenvolvimento de sensores mais eficientes que aumentam a aplicabilidade dos mesmos. No entanto, a remoção de solventes tóxicos no fabrico destes materiais e o desenvolvimento de estratégias para a produção em larga escala são problemas para os quais são necessárias soluções urgentes e inovadoras. A utilização de solventes “verdes” permite resolver o primeiro problema e as técnicas de impressão solucionar o segundo. Desta forma, este trabalho propõe o desenvolvimento de três tipos de nanocompósitos piezoresistivos de base polimérica reforçados com diferentes concentrações de nanotubos de carbono, utilizando uma abordagem “verde”. Isto é, pretende-se substituir o solvente tóxico (tolueno) presente num desses nanocompósitos por um solvente “verde”, o metoxiciclopentano. Pretende-se ainda desenvolver outro nanocompósito com base aquosa, pois a água é o solvente menos tóxico e mais seguro. Após a caraterização estrutural, morfológica, mecânica, elétrica, eletromecânica e reológica de todos os nanocompósitos, escolheu-se um de base “verde” e um de base aquosa, cujas propriedades mais se adequassem ao desenvolvimento de um sensor piezoresistivo. Estes dois nanocompósitos permitiram obter uma boa linearidade entre a deformação mecânica e a variação da resistência elétrica e ainda um Gauge Factor cujos valores variam entre 1,1 e 2,8. Através da adaptação da viscosidade de ambos os nanocompósitos para impressão por spray (142-407 cP) e serigrafia (774-1490 cP) imprimiram-se quatro sensores piezoresistivos de deformação. Os sensores impressos permitiram obter linearidade e sensibilidade próximas daqueles obtidos através de técnicas de produção em pequena escala.

The smart materials implementation, particularly the piezoresistive ones, are increasingly present in a wide variety of applications ranging from automotive components to medical devices. Particularly, the use of a polymeric matrix reinforced with conductive materials has become an interesting option to develop more efficient sensors, which increases their applicability. Further, the removal of toxic solvents in the manufacture of these materials and the development of large scale production techniques are issues which require urgent and innovative solutions. The use of “green” solvents allows to solve the first problem and the printing technologies the second one. Thus, this work proposes the development of three types of piezoresistive polymer based nanocomposites reinforced with different concentrations of carbon nanotubes, using a “green” approach. The main objective is to replace the toxic solvent (toluene) present in the nanocomposite by a “green” solvent, the cyclopentyl methyl ether. It is also intended to develop a water-based nanocomposite, since water is the less toxic and safer solvent. After the structural, morphological, mechanical, electrical, electromechanical and rheological characterization of all nanocomposites, it was chosen a green-based and a water-based nanocomposite, whose properties were more suitable for the development of a piezoresistive sensor. These nanocomposites allowed to obtain a good linearity between the mechanical deformation and the variation of the electrical resistance and also a Gauge Factor between 1.1 and 2.8. By adjusting nanocomposites viscosities for spray printing (142-407 cP) and screen printing (774-1490 cP), four piezoresistive strain sensors were printed. The printed sensors allowed to achieve a linearity and sensibility close to the ones obtained through small scale production techniques.