《科学レポート》: 3Dプリントされたカーボン熱可塑性電極の電気化学的活性に対するプリンター機器パラメータの影響

《科学レポート》: 3Dプリントされたカーボン熱可塑性電極の電気化学的活性に対するプリンター機器パラメータの影響
はじめに: 付加製造は、炭素熱可塑性複合電気化学センサーを準備するための信頼性の高い方法を提供します。多くの研究で、印刷パラメータが炭素熱可塑性電極の電気化学的活性に与える影響が調査されていますが、機器パラメータの影響についてはほとんどわかっていません。では、機器パラメータは 3D 印刷された熱可塑性プラスチックの構造と機械的強度にどのような影響を与えるのでしょうか。



2023年1月、アンタークティックベアは、英国ブライトン応用科学大学の研究者が上記の問題に関する研究を行ったことを知りました。彼らは「3Dプリントカーボン熱可塑性電極の電気化学活性に対する機器パラメータの影響」というタイトルで「サイエンスレポート」に研究を発表しました。

背景
製造方法としての 3D プリンティングは、さまざまな複雑な形状の電気化学センサーを大量生産する機能を提供します。 3D プリント電極の製造に使用される材料には、一定の割合の導電性材料 (さまざまな形態の炭素など) と非導電性熱可塑性材料 (PLA など) が混合されています。したがって、3D プリントされた電極はすべて複合電極です。これまで、手作業による製造では均一な電極を製造することが難しく、炭素複合電極はバッチ変動が大きいという問題がありました。しかし、3D プリントを使用した電極の機械製造では、電極バッチ間の精度が高くなるため、炭素複合電極の再現性のある製造に適した方法になります。印刷プロセスは印刷された部品の構造に影響を与え、それによって炭素熱可塑性複合電極の電気化学的活性が変化します。 3D プリント電極の製造は、印刷パラメータと機器パラメータの両方の影響を受けます。印刷パラメータは印刷中の電極の構造に影響し、機器パラメータは炭素熱可塑性繊維の押し出しに影響する変数です。

この研究では主に、機器パラメータが CB/PLA 電極の電気化学的活性に与える影響を調査します。研究者らは、異なる押出機温度、加熱ベッド温度、および異なるノズル径で CB/PLA 電極を準備しました。電極はサイクリックボルタンメトリーと電気化学インピーダンス分光法によって特性評価され、印刷された電極の表面積と断面積は走査型電子顕微鏡によって特性評価されました。最後に、研究者らは、センシングアプリケーションの最適化におけるこの発見の重要性を強調しています。

結果と考察CB/PLA電極の電気化学的活性に対するノズル径の影響


△異なるノズル径を持つ3DプリントCB/PLA電極の内球型と外球型の酸化還元プローブに対する応答

多くの研究では、CB/PLA 電極を準備するために異なる直径のノズルが使用されていますが、これが電気化学的活性に影響を与えるかどうかは不明です。本研究では、押出機温度 230°C、ホットベッド温度 50°C の条件下で、ノズル径が CB/PLA 電極の電気化学的活性に及ぼす影響を調査しました。結果は、PLA で作られた部品のすべてのノズル径で 100% の成功率を示しました。しかし、CB/LAの場合、ノズル径が大きくなるにつれて成功率が大幅に低下しました。したがって、PLA および CB/PLA の場合、最大直径 (0.6 mm) のノズルの成功率が最も高くなりました。この差異効果は、CB/PLA フィラメント内の CB 粒子の影響によるものと考えられます。CB 粒子は、小さいノズル径を簡単に詰まらせる可能性があります。研究によると、ノズルの直径が大きいほど、長時間の印刷中に詰まりやフィラメントの摩耗が起こりにくくなり、寿命が長くなることがわかっています。同じ厚さの電極を異なるノズル径を使用して印刷した場合、電極の電気化学的活性は変化しませんでしたが、より大きなノズル径を使用すると、電極の製造成功率が向上しました。

CB/PLA電極の電気化学的活性に対するホットベッド温度の影響


△ 3DプリントされたCB/PLA電極の、異なるプリントベッド温度における内球および外球の酸化還元プローブに対する応答

研究では、プリントベッドの温度は 3D プリントされた CB/PLA 電極の電気化学的活性に影響を与えず、電流応答に違いがないことがわかりました。研究者は、これは電極が垂直にプリントされた (電極の導電性が最適化された) ためだと考えています。この方向では、ホットベッド温度の上昇により、電極のごく一部のみが接着強化を経験する可能性があります。ただし、少数の層を印刷する場合、電極はプリントベッドの温度の影響を受けます。

異なる押出温度で作製したCB/PLA電極の電気化学的活性の変化


△異なる押出機温度での内側および外側の球状酸化還元プローブ上の 3D プリント CB/PLA 電極の応答。

結果は、押出機温度 230 °C および 240 °C で製造された CB/PLA 電極がより優れた電気化学的活性を示したことを示しました。これは、押出機の温度が上昇すると電気活性表面積が増加することを示しています。これは、電極の表面積の増加により導電経路の数が多くなるか、または高温で印刷された電極の印刷層間の空隙数が減少するためです。

異なる押出機温度で印刷する場合の電極構造の変化を研究する


△ノズル径0.6mm、ホットベッド温度50℃のときに、異なる押出機温度で作製した3Dプリント電極の静電容量と抵抗率の比較

異なる押出機温度で作製された電極の電気化学的活性は大きく異なるため、これらの変化が電極表面の変化に起因するかどうかを調べるために、導電容量と電気化学インピーダンス分光測定を実施しました。静電容量は電極表面の電気活性面積に比例するため、この研究ではサイクリックボルタンメトリーを使用して静電容量を測定しました。押し出し機の温度が低いと、印刷層間のボイドの存在と接着不良により印刷層間の接着力が低下し、その結果、オーム接合部から電極表面への導電経路が形成される可能性が低くなります。

さまざまな 3D プリンターが CB/PLA 電極の電気化学的活性に与える影響を調査する<br /> さまざまな機器許容誤差を持つ印刷電極を製造するためにさまざまな 3D プリンターが使用されており、この研究では 3 つの異なる 3D プリンターを比較しました。 CrealeEnder 3 は最も経済的なプリンターで、愛好家に広く使用されています。Flashforge Creator Pro はミッドレンジ プリンター、Raise3D Pro2 はハイエンド プリンターです。結果は、異なるプリンターで作られた CB/PLA 電極の表面の印刷層に構造的な違いがないことを示しました。データを見ると、精度に明らかな違いがあり、CrealeEnder 3 プリンターの相対標準偏差は 6.7% ですが、Flashforge Creator Pro と Raise 3D Pro2 の相対標準偏差はそれぞれ 3.7% と 3.3% に低下しています。したがって、これらの調査結果は、異なる 3D プリンターが電流や電子の移動速度に全体的な影響を与えないことを強調していますが、ハイエンドのプリンターは印刷の精度が高く、その結果、バッチの再現性が向上する可能性があります。

結論は
3D プリンティングは、センシング用途の導電性カーボン電極を製造するためのシンプルで効果的な方法として登場しました。研究では、押し出し機の温度を 230°C と 240°C にすると、電極の表面粗さが増加し、印刷層間の空隙数が減少するため、CB/PLA 電極の電気化学的活性が向上することが示されました。ノズルの直径が異なっていても、加熱ベッドの温度が変化しても、CB/PLA 電極の電気化学的活性は変化しませんでした。異なる 3D プリンターでは CB/PLA 電極の電気化学的活性は変化しませんでしたが、ハイエンド 3D プリンターでは同じバッチの電極のばらつきが低減され、一貫性が高まりました。この研究では、3D プリントを使用して導電性熱可塑性プラスチックを製造する場合、分析研究用に印刷された電気化学センサーのパフォーマンスを最適化するために機器の設定を考慮する必要があることがわかりました。

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