Preparação de materiais compósitos para fabrico aditivo e avaliação da sua capacidade para impressão 4D

Abstract

O fabrico aditivo (FA) permite a obtenção de estruturas tridimensionais (3D) com geometrias complexas, através da deposição de materiais camada a camada. No entanto, a tecnologia é limitativa pois, uma vez impressas, as estruturas ficam com a forma definitiva e inalterável. Por este motivo, surgiu a “impressão 4D”, que corresponde à impressão de estruturas 3D que posteriormente são capazes de mudar de forma ao longo do tempo, mediante um estímulo externo. No ramo da impressão 4D, os materiais mais comumente utilizados incluem os polímeros termoplásticos e os metais. Todavia, é mais vantajosa a utilização de materiais biodegradáveis de origem natural ou sintética, uma vez que contribui para a diminuição da pegada ecológica e dos problemas ambientais associados aos plásticos derivados do petróleo. A celulose é o biopolímero mais abundante na natureza e é obtida a partir de fontes renováveis, tais como árvores, fungos e outros microrganismos. Contudo, a celulose produzida por bactérias é uma alternativa ecologicamente mais sustentável na medida em que não acarreta problemas relacionados com a sua extração e processamento. A celulose bacteriana (CB), por possuir excelentes propriedades mecânicas e elevada pureza química, tem vindo a ser integrada em compósitos como matriz ou reforço. Já a poli(-caprolactona) (PCL) é um polímero sintético biodegradável que apresenta algumas limitações a nível das suas propriedades mecânicas e, para aplicações que requerem um elevado desempenho mecânico, é sugerida a sua combinação com materiais que atuem como reforço. Neste estudo, foi produzido um compósito constituído por materiais com molhabilidade díspares, de forma a obter uma estrutura com propriedades adaptativas e com capacidade de resposta a um estímulo externo. Assim, uma matriz PCL 6800 foi reforçada através da incorporação de 1% de CB produzida pela bactéria Duganella sp. estirpe A1-17 (CB Al-17). O compóstio foi caracterizado quanto à sua estrutura química, comportamento térmico e molhabilidade e, para além disso, foram realizados ensaios de sorção e degradação hidrolítica e estudado o efeito 4D do material.Os ensaios de sorção em água e degradação hidrolítica demonstraram que houve, respetivamente, uma maior absorção de água e degradação nos compósitos PCL + CB do que na PCL isolada, devido ao carácter hidrófilo da CB. Na avaliação da capacidade 4D, apenas os compósitos, por apresentarem materiais com comportamentos diferentes perante a água, mudaram de forma quando submersos em água. Assim, foi comprovada que a diferença de molhabilidade provocou um efeito 4D nos filamentos.

Additive manufacturing makes it possible to obtain three-dimensional (3D) structures with complex geometries, through layer-by-layer deposition of materials. However, the technology is limited because, once printed, the structures have their final and unalterable shape. For this reason, “4D printing” was created, which is based on the printing of 3D structures that are later able to change shape over time by an external stimulus. The most common materials used in 4D printing include thermoplastic polymers and metals. However, the use of biodegradable natural or synthetic materials is more advantageous, as it contributes to reducing the ecological footprint and environmental problems associated with petroleum-based plastics. Cellulose is the most abundant biopolymer in nature and is obtained from renewable sources such as trees, fungi, and other microorganisms. Nevertheless, cellulose produced by bacteria is an ecologically more sustainable alternative that raises no problems related to its extraction and processing. Bacterial cellulose, due to its excellent mechanical properties and high chemical purity, has been integrated into composites as a matrix or reinforcement. Poly(-caprolactone) is a synthetic biodegradable polymer that has some limitations concerning its mechanical properties and, for applications that require high mechanical performance, its combination with reinforcement materials is suggested.In this study, a composite involving materials with different wettability was produced to obtain a structure with adaptive properties and responsiveness to an external stimulus. Thus, poly(-caprolactone) 6800 matrix was reinforced with 1% of bacterial cellulose produced by Duganella sp. Strain Al-17. The composite was characterized concerning its chemical structure, thermal behavior, and wettability. In addition, water sorption and hydrolytic degradation tests were carried out and the 4D effect of materials was studied.The water sorption and hydrolytic degradation tests showed that there was, respectively, greater water absorption and degradation in PCL+CB composites than in isolated PCL, due to the hydrophilicity of CB. In the evaluation of the 4D capacity, only composites, changed shape when submerged in water, as they are made up of materials with different wettability. Thus, it was proven that the difference in wettability led to distinct responses to humidity, leading to the 4D effect.