Investigation of Mechanical and Tribological Performance of 3D- Printed PLA Composites for Biomedical Applications Reinforced by Carbonaceous and Hydroxyapatite fillers

Abstract

Este estudo centra-se na otimização da composição química de materiais compósitos à base depoli (ácido láctico) (PLA), reforçados com carbono, nomeadamente fibras curtas de carbono(SCFs) e nanoplaquetas de grafeno (GNPs), em concentrações variáveis (0,5 a 5 % em peso paracada forma de carbono). O desempenho mecânico e tribológico destas amostras, designadas porPSG, foi avaliado. Adicionalmente, a investigação focou-se também na avaliação daspropriedades mecânicas e tribológicas de amostras à base de PLA incorporando hidroxiapatita(HA) como reforço, em concentrações de 5 e 10% em peso (amostras designadas por PH). Parafabrico das amostras, foi usada a impressão 3D de fabricação de filamento fundido (FFF). Osresultados deste estudo revelaram uma dispersão bem-sucedida dos reforços dentro doscompósitos. Nas amostras PSG e PH, a presença de SCF e GNP, e HA facilitou a cristalização dosfilamentos de PLA, atuando como agentes nucleadores. À medida que as concentrações dosreforços aumentavam, melhorias notáveis foram observadas na dureza, módulo de elasticidadee resistência específica ao desgaste para ambas as amostras de PSG e PH. Especificamente, o PSG-5, consistindo de um reforço de 5% em peso de SCF + 5% em peso de GNP, exibiu um notávelaumento de 30% na dureza em comparação ao PLA puro. Da mesma forma, a adição de 10% empeso de HA (PH-10) resultou num aumento de 6% na dureza. O módulo de elasticidadeapresentou uma tendência semelhante, verificando-se aumentos máximos de 220% no caso daamostra PSG-5 e de 202% no caso da amostra PH-10. Para além disso, todas as amostras PLAreforçadas exibiram coeficientes de fricção (COF) mais baixos em comparação com o PLA puro.As amostras de PSG apresentaram valores de COF variando de 0,49 a 0,6, enquanto as amostrasde PH mantiveram um valor de COF constante de 0,49 para PH-5 e PH-10, superando o COF dePLA (0,57). A amostra PSG-5 apresentou a menor taxa de desgaste específico (4,04 x 10-4mm3/N.m) entre os compósitos PSG, enquanto a amostra PH-10 exibiu a menor taxa de desgasteem 2,75 x 10-4 mm3/N.m entre os compósitos PH. Esses valores representaram uma redução dedesgaste de, respetivamente, 5 e 1,8 vezes em relação ao PLA. Em conclusão, este estudodemonstrou que a incorporação de SCF e GNP, e de HA, na matriz de PLA, melhorasignificativamente as suas propriedades mecânicas e tribológicas e destacou o potencial dessescompósitos para aplicação numa gama ampla de aplicações que exijam a utilização de polímeroscom resistência mecânica e resistência ao desgaste melhoradas.

This study focuses on optimizing the composition of Poly (lactic acid) (PLA)-based compositematerials by reinforcing them with carbonaceous fillers, namely short carbon fibers (SCFs) andgraphene nanoplatelets (GNPs), at varying concentrations (ranging from 0.5 to 5 wt.% for eachfiller). These composite samples, referred to as PSG samples, were thoroughly examined to assesstheir mechanical and tribological performance. Additionally, the investigation explored themechanical and tribological properties of PLA-based materials incorporating hydroxyapatite(HA) at concentrations of 5 and 10 wt.%, known as PH samples. To create these samples, fusedfilament fabrication (FFF) 3D printing was employed. The findings of this study revealedsuccessful dispersion of the fillers within the composites. In the PSG samples, the presence of SCFand GNP facilitated the crystallization of PLA filaments, while in the PH samples, HA acted as anucleating agent, demonstrating a similar behavior. As the concentrations of the fillers increased,notable improvements were observed in hardness, elastic modulus, and specific wear resistancefor both PSG and PH samples. Specifically, PSG-5, consisting of a 5 wt.% SCF + 5 wt.% GNPreinforcement, exhibited a remarkable 30% increase in hardness compared to pure PLA.Similarly, the addition of 10 wt.% HA (PH-10) resulted in a 6% increase in hardness for the PHsamples. The elastic modulus displayed a consistent trend, with PSG samples showing asubstantial 220% increase and PH samples demonstrating a notable 202% increase. Moreover, allPSG and PH composite samples exhibited lower coefficients of friction (COF) compared to purePLA. PSG samples demonstrated COF values ranging from 0.49 to 0.6, while PH samplesmaintained a constant COF value of 0.49 for both PH-5 and PH-10, surpassing the COF of PLA(0.57). Furthermore, PSG-5 showcased the lowest specific wear rate at 4.04 x 10-4 mm3/N.m amongthe PSG composites, while PH-10 exhibited the lowest wear rate at 2.75 x 10-4 mm3/N.m amongthe PH composites. These values represented a wear reduction of five times for PSG samples and1.8 times for PH samples compared to different PLA compositions used in the respectivecomposite material systems. In summary, this study demonstrates that the incorporation of SCFand GNP into the PLA matrix, as well as the addition of bioceramic filler HA, significantlyenhance the mechanical and tribological properties of the resulting composite materials. Thesefindings highlight the potential of these composites for a wide range of applications that requireexceptional mechanical strength and wear resistance.