Formulation and characterization of electrically conductive nanocomposites for mSLA-printed temperature sensors

Conductive polymer nanocomposites are promising functional materials for the fabrication of customized sensing devices, especially when combined with additive manufacturing. In this work, multi-walled carbon nanotubes were incorporated into a commercial acrylate-based photocurable resin to obtain electrically conductive and thermo-resistive materials processable by masked stereolithography (m-SLA) 3D printing. The formulated suspensions were characterized in terms of electrical conductivity, curing behavior, rheology, printability, morphology, mechanical response and temperature-dependent resistance. Electrical measurements confirmed the formation of a conductive carbon nanotube (CNT) network, with a maximum conductivity of approximately 0.05 S·m⁻¹. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis provided qualitative evidence that CNT incorporation affected the photopolymerization process, most likely because of the optical shielding effect of the nanotubes, while rheological tests identified a practical printability limit around 0.3 wt% CNT, corresponding to a viscosity close to 30 Pa·s under the investigated conditions. Despite these limitations, CNT-loaded resins were successfully printed into progressively more complex geometries, from simple block-like specimens to two-dimensional and three-dimensional functional patterns. Scanning electron microscope (SEM) observations highlighted the importance of dispersion quality, showing improved CNT distribution after prolonged bath sonication compared with probe sonication, while mechanical testing revealed a decrease in mechanical performance with increasing filler content. The most relevant result was the thermo-resistive behavior of the printed nanocomposites: the electrical resistance showed a clear dependence on temperature, allowing the temperature coefficient of resistance to be evaluated for different CNT concentrations. A maximum temperature coefficient of resistance (TCR) of approximately 0.13%·°C⁻¹ was obtained, confirming the potential of the developed material as a temperature-sensitive system. Finally, a printed thermo-resistive sensor was fabricated and tested under dynamic thermal stimulation, showing good response kinetics but incomplete recovery of the initial resistance after rapid heating. Overall, this work demonstrates that CNT-loaded photocurable resins can be processed by m-SLA 3D printing to obtain conductive and thermo-resistive components, providing a promising platform for customized temperature sensors in applications such as battery thermal monitoring, wearable devices and biomedical sensing.

I nanocompositi polimerici conduttivi rappresentano materiali funzionali promettenti per la fabbricazione di dispositivi di sensing personalizzati, soprattutto quando combinati con la manifattura additiva. In questo lavoro, i nanotubi di carbonio sono stati incorporati in una resina fotopolimerizzabile commerciale a base acrilica, al fine di ottenere materiali elettricamente conduttivi e termoresistivi processabili mediante stampa 3D m-SLA. Le sospensioni formulate sono state caratterizzate in termini di conducibilità elettrica, grado di conversione, reologia, stampabilità, micromorfologia, risposta meccanica e variazione della resistenza con la temperatura. Le misure elettriche hanno confermato la formazione di un network conduttivo di CNT, con una conducibilità massima di circa 0.05 S·m⁻¹. L’analisi FTIR ha fornito evidenze qualitative del fatto che l’incorporazione dei CNT ha influenzato il processo di fotopolimerizzazione, verosimilmente a causa dell’effetto di schermatura ottica dei nanotubi, mentre le prove reologiche hanno identificato un limite pratico di stampabilità intorno a 0.3 wt% CNT, corrispondente a una viscosità di circa 30 Pa·s nelle condizioni investigate. Nonostante queste limitazioni, le resine caricate con CNT sono state stampate con successo in geometrie progressivamente più complesse, da semplici provini a blocco fino a pattern funzionali bidimensionali e tridimensionali. Le osservazioni SEM hanno evidenziato l’importanza della qualità della dispersione, mostrando una distribuzione più omogenea dei CNT dopo sonicazione prolungata in bagno rispetto alla sonicazione a sonda, mentre le prove meccaniche hanno mostrato una diminuzione delle prestazioni meccaniche all’aumentare del contenuto di filler. Il risultato più rilevante è stato il comportamento termoresistivo dei nanocompositi stampati: la resistenza elettrica ha mostrato una chiara dipendenza dalla temperatura, permettendo di valutare il coefficiente termico di resistenza per diverse concentrazioni di CNT. È stato ottenuto un TCR massimo di circa 0.13%·°C⁻¹, confermando il potenziale del materiale sviluppato come sistema sensibile alla temperatura. Infine, un sensore termoresistivo stampato è stato fabbricato e testato sotto stimolazione termica dinamica, mostrando una buona cinetica di risposta ma un recupero incompleto della resistenza iniziale dopo riscaldamento rapido. Nel complesso, questo lavoro dimostra che resine fotopolimerizzabili caricate con CNT possono essere processate mediante stampa 3D m-SLA per ottenere componenti conduttivi e termoresistivi, fornendo una piattaforma promettente per sensori di temperatura personalizzati in applicazioni quali il monitoraggio termico di batterie, dispositivi indossabili e sensing biomedicale.