Con el creciente interés por la impresión 3D, aparecen nuevos materiales en el mercado, y con ellos nuevos medios y oportunidades para utilizar las impresoras 3D. Es habitual que las impresiones se utilicen en condiciones exteriores en las que deben resistir el viento y la lluvia, la luz ultravioleta o, en la industria, soportar fuertes tensiones mecánicas. A menudo, las impresiones están expuestas a diversos productos químicos.

Por eso hemos decidido explorar en detalle la resistencia química de los materiales de impresión. Le mostraremos los polímeros químicamente resistentes y aprenderá cómo la exposición a los productos químicos afecta a la durabilidad del material. 

El Prusament PLA, PVB, PETG, ASA y PC-Blend fueron expuestos por diversas sustancias químicas: Elegimos aquellas que son comunes y seguras para trabajar.

Creemos que nuestras pruebas le ayudarán a elegir el material adecuado para sus necesidades.

¿Dónde se utilizan materiales resistentes a los productos químicos?

La capacidad de los materiales para resistir determinadas sustancias químicas es muy importante en la industria: En la fabricación y la automoción, los productos finales suelen estar expuestos a muchos materiales agresivos. Las piezas de las líneas de fabricación suelen estar en contacto con lubricantes y productos de limpieza. Los componentes de los automóviles están expuestos – además de a lubricantes y aceites – a sustancias de mantenimiento. 

La industria farmacéutica y alimentaria requiere la estabilidad química de los materiales utilizados. Y como los nuevos filamentos son resistentes y estables, también encontrará uso para la impresión 3D y las piezas impresas en estas industrias.

Resistencia química de los polímeros

La resistencia química es la capacidad de un material para resistir cuando se expone a un entorno químicamente agresivo. Hoy en día, existe un amplio espectro de polímeros capaces de resistir ácidos, disolventes, alcohol o agua caliente y otras sustancias. Este artículo tratará sobre los polímeros más utilizados para la impresión 3D, y que en su mayoría son adecuados para su uso en circunstancias exigentes.

Factores clave que afectan a la resistencia química de los polímeros

Estructura molecular del polímero

La resistencia química de los plásticos depende principalmente de la estructura física y química del polímero y de la composición química de la sustancia. Los polímeros utilizados para la impresión 3D tienen cadenas formadas como fase amorfa (desordenada) o semicristalina (parcialmente ordenada) tras el enfriamiento. En la semicristalina, los segmentos ordenados están rodeados de grupos de cadenas desordenadas. La proporción de estos segmentos (denominada cristalinidad) afecta a la resistencia a la temperatura, la fuerza y la tenacidad del polímero. También afecta a la resistencia del polímero a la agresividad química. Así, un polímero más cristalino es más resistente a una sustancia agresiva que un polímero menos cristalino. La orientación de los enlaces del polímero y la presencia de cargas en el material también pueden tener un efecto.

La capacidad de un material para soportar un entorno químicamente agresivo no sólo depende de su resistencia química, sino también de otros factores que lo estresan: eso incluye la tensión mecánica, la absorción física de la sustancia por el material o la temperatura. Estos parámetros pueden influir significativamente en los requisitos de selección del material. 

Si el material no es químicamente resistente, existe el riesgo de una rápida degradación de sus enlaces poliméricos al entrar en contacto con una sustancia agresiva. La consecuencia es una menor resistencia a la tracción, una menor tenacidad al impacto y una menor vida útil del material, todo lo cual puede dar lugar a un fallo del componente.

Absorción de la sustancia

Cuando un polímero sufre una reacción química, la estructura de la cadena polimérica se ve afectada. Cuando una sustancia es absorbida físicamente por el polímero, la cadena no se ve afectada, pero la sustancia es absorbida por el plástico como una esponja que absorbe el agua. Internamente, la sustancia química puede provocar cambios en el peso, la movilidad de las cadenas de polímero y las dimensiones del componente plástico. Esto también puede manifestarse como un ablandamiento o, por el contrario, una fragilidad del plástico.

Temperatura

La mayoría de los procesos de difusión dependen de la temperatura. En la práctica, esto significa que la degradación química de los polímeros aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura de la sustancia. En general, cuanto mayor es la temperatura de la sustancia, menor es la resistencia del material al medio ambiente. Por ejemplo, se puede observar que el mismo material es más resistente en agua fría que en agua caliente a la misma concentración y duración de la exposición.

Concentración de la sustancia química

En la mayoría de los casos, el aumento de la concentración de la sustancia activa acelera la degradación del polímero.

Tensión mecánica que actúa sobre el material

El estrés mecánica es un factor importante cuando se expone a entornos químicamente agresivos. La carga de un material en un entorno químicamente agresivo puede provocar la ruptura de los enlaces covalentes, aunque la carga esté por debajo del límite elástico del material. Se forman grietas que penetran aún más en la profundidad del material, lo que puede conducir a un fallo de integridad.

Diseño del modelo 3D

Otro parámetro importante en los modelos impresos en 3D es el diseño y la calidad del modelo impreso. Las sustancias corrosivas pueden penetrar a través del objeto impreso y reducir significativamente su vida útil. Por lo tanto, es esencial elegir el material y los parámetros de impresión adecuados para el modelo.

Resistencia química de los materiales de impresión 3D más utilizados

En general, los materiales de ingeniería son los más resistentes a los productos químicos: Los que tienen una excelente resistencia química son el PP (polipropileno), PA (poliamida, nylon), PE (polietileno), PEEK (polieteretercetona), PTFE (politetrafluoroetileno, teflón), PVC (cloruro de polivinilo) o PVDF (fluoruro de polivinilideno).

Entre los materiales con buena resistencia química están el PC (policarbonato), el TPU, el PETG, el ASA o el ABS. Sin embargo, la resistencia de estos materiales depende del entorno específico, la temperatura ambiente y otros tipos de tensiones. Por ejemplo, el material ABS se degrada muy rápidamente en acetona. 

Los materiales que no tienen características técnicas – como el PLA, el PVB – no son adecuados para su uso en entornos químicamente agresivos – ácidos, alcoholes, etc.-. 

Tabla de compatibilidad química de los materiales plásticos y su resistencia química

A continuación se muestra una tabla indicativa de los polímeros más utilizados para la impresión 3D que han sido probados en diversas sustancias químicas. Según la clasificación de resistencia de la A a la D, se puede determinar qué polímero es adecuado para su uso en una sustancia determinada. Las pruebas se han realizado a 23 °C.

* Fridex es el nombre industrial de un compuesto químico utilizado en los refrigerantes anticongelantes para automóviles. Es un refrigerante concentrado a base de etilenglicol.

** Savo es un agente de limpieza y desinfección. El desinfectante es hipoclorito de sodio, 4.7 g / 100 g.

Para un análisis más preciso de los resultados se requieren pruebas de laboratorio más exhaustivas. La durabilidad del material y su resistencia química están influidas no sólo por la propia sustancia, sino también por las influencias ambientales, como la temperatura, la concentración de la sustancia, la tensión mecánica del componente y otros factores mencionados anteriormente.

Pruebas de resistencia química del Prusament PLA, PVB, PETG, ASA, PC Blend

La resistencia de cada material variaba en función de la composición química del entorno al que estaba expuesto. Se midió el efecto del entorno en la resistencia del material. Se compararon con más detalle dos propiedades del material: su resistencia y su tenacidad. 

Proceso de prueba

Se imprimieron más de 400 muestras de ensayo para cada material, que se sometieron a cargas químicas y, a continuación, a mediciones de resistencia a la tracción Charpy y de resistencia al impacto. La resistencia a la tracción se midió según la norma ISO 527 en una máquina de ensayos universal. La resistencia al impacto se midió según la norma ISO 179. 

El modelo de los cuerpos de prueba fue generado por el programa PrusaSlicer. El código G contenía los ajustes de impresión para el perfil de material Prusament para el material dado – siendo Prusament PLA, Prusament PETG, Prusament ASA, Prusament PC Blend y Prusament PVB, relleno 100%, 2 perímetros, altura de capa 0.2 mm. La orientación del modelo en la plataforma de impresión fue en el eje XY. 

Todos los materiales se probaron en nueve sustancias, que presentaban diferentes composiciones químicas: agua, etanol (EtOH), alcohol isopropílico (IPA) al 75% y al 99%, vinagre al 8% (cuyo componente principal es el ácido acético), sal de mesa (NaCl) al 10%, ácido cítrico (C6H8O7), Fridex (etilenglicol) y Savo (que contiene hipoclorito de sodio como ingrediente activo. Se mezcla con agua en una proporción de 1:10). 

La exposición del entorno químico al material se llevó a cabo a temperatura ambiente de unos 23° en cuatro intervalos de tiempo – 1 hora, 7 horas, 24 horas y 7 días. 

Resultados de las pruebas

Los datos obtenidos de las mediciones de resistencia a la tracción y al impacto se muestran gráficamente. Los valores obtenidos se han convertido en porcentajes, por lo que es posible ver cómo cambian las propiedades del material en función del tiempo de exposición y del entorno químico. El aumento o la disminución de la resistencia química en un entorno determinado puede seguirse mediante los cambios porcentuales en los gráficos. Para comparar el cambio en la resistencia o la tenacidad del material con el valor de referencia, en cada gráfico se muestra una muestra de prueba (llamada estándar) que no ha sido expuesta a ninguna sustancia química. La impresión del estándar se ha realizado en las mismas condiciones.

PLA

Resistencia a la tracción: 

Valor inicial: 55 MPa = 100%

Según los valores del gráfico, se observa que la resistencia a la tracción del PLA disminuyó ligeramente en contacto con el agua. La disminución de la resistencia fue más pronunciada en entornos más agresivos. Se registró una rápida disminución de la resistencia en contacto con Fridex (etilenglicol) después de 1 hora. Se produjo una disminución gradual de la resistencia en contacto con IPA después de más de 24 horas. Cuando el material de PLA se sumergió en acetona, la muestra de prueba colapsó.

Resistencia al impacto (según Charpy):

Valor inicial: 15 kJ/m² = 100 %

La tenacidad al impacto del PLA fue ligeramente superior cuando estuvo en contacto con ambientes menos agresivos. Se produjo una disminución más pronunciada de la tenacidad con la exposición en Fridex (etilenglicol) y Savo.

PVB

Resistencia a la tracción:

Valor inicial: 52 MPa = 100 %

El material PVB resultó ser muy absorbente y, por tanto, su resistencia se vio afectada. En el caso de los materiales menos agresivos, no se produjo una disminución rápida de la resistencia, pero la tendencia mostró que ésta disminuía con el tiempo. En contacto con las sustancias Etanol, IPA, Acetona la muestra de prueba se ablandó y se disolvió parcialmente después de 1 hora, después de una exposición más larga se derrumbó. Estas sustancias no fueron resistidas por el PVB, por lo que no fue posible medir las muestras.

Resistencia al impacto (según Charpy):

Valor inicial: 54 kJ/m² = 100 %

El material PVB mostró una baja resistencia química y una importante absorción. Esto dio lugar a un aumento de la resistencia al impacto en todos los tejidos probados. Las sustancias Etanol, IPA y Acetona alteraron completamente la estructura de las muestras de prueba. Una vez más, las muestras de prueba fueron inutilizables para otras mediciones después de sólo 1 hora de exposición. 

PETG

Resistencia a la tracción: 

Valor inicial: 47 MPa = 100 %

En el caso del PETG, la resistencia a la tracción cambia significativamente al entrar en contacto con la acetona. En el resto de sustancias, la resistencia se desvía en unos pocos porcentajes. Los cambios más significativos se produjeron tras tiempos de exposición más largos. Durante la exposición a la sustancia durante 7 días, la resistencia del cuerpo de prueba sumergido en etanol, IPA al 75% e IPA al 99%, acetona disminuyó.

Resistencia al impacto (según Charpy):

Valor inicial: 65 kJ/m² = 100 %

La resistencia al impacto del PETG permaneció casi inalterada sólo en contacto con el agua. En contacto con Savo, el valor de la tenacidad se mantuvo casi igual después de 24 horas. Sin embargo, disminuyó con un mayor tiempo de exposición y bajó a valores en torno al 92%. En el caso de las demás sustancias se produjo una disminución significativa de la tenacidad. Para el IPA, el vinagre, la acetona y el Fridex la disminución de la tenacidad es más pronunciada.

ASA

Resistencia a la tracción:

Valor inicial: 42 MPa = 100 %

El ASA era resistente a sustancias como el agua, el ácido cítrico, el Fridex y el Savo, incluso con un tiempo de exposición prolongado. La disminución más significativa de la resistencia a la tracción se produjo en etanol, IPA al 75% e IPA al 99%. En acetona, la muestra de prueba se colapsó, por lo que no se pudo realizar la medición.

Resistencia al impacto (según Charpy):

Valor inicial: 25 kJ/m² = 100 %

La tenacidad al impacto del ASA disminuyó cuando se utilizó en entornos químicamente agresivos. Según el gráfico podemos comparar la pérdida de tenacidad, que fue más pronunciada para el NaCl al 10% después de 24 horas de exposición. Sin embargo, ocurre lo contrario con los valores de tenacidad medidos para las muestras expuestas al etanol, al IPA al 75% o al ácido cítrico, donde la tenacidad se mantuvo prácticamente en relación con el valor de la muestra de ensayo (estándar). El material ASA no resiste la acetona, por lo que también en este caso la muestra de prueba se colapsó durante la exposición.

PC Blend

Resistencia a la tracción:

Valor inicial: 63 MPa = 100%

El PC Blend demostró ser un material estable en cuanto a resistencia, pero es poco resistente a la acetona. La resistencia disminuyó significativamente en contacto con la acetona después de 24 horas y la pérdida de resistencia fue más pronunciada con una exposición más prolongada.

Resistencia al impacto (según Charpy):

Valor inicial: 110 kJ/m² = 100 %. Charpy 100/100. Por lo tanto, se puede afirmar que la resistencia al impacto de la muestra de ensayo es superior a 110 kJ/m². 

El valor 100% en el gráfico indica la energía máxima medible para romper el cuerpo de prueba (estándar). En la práctica, esto significa que el cuerpo estándar y otros cuerpos de prueba con un valor del 100% resistieron un impacto de martillo de 4 J sin romperse ni sufrir daños significativos. Teniendo en cuenta las dimensiones de la probeta, se puede afirmar que la resistencia al impacto de las probetas con un valor del 100% es superior a 100 kJ/m2.

Conclusión

Prusament PC Blend es uno de nuestros materiales más resistentes químicamente. Sus excelentes propiedades están confirmadas por las pruebas de resistencia química. La resistencia a la tracción del PC Blend es superior a la de otros materiales y no disminuye significativamente incluso cuando las piezas impresas se exponen a determinados productos químicos. La resistencia al impacto del PC Blend es significativamente mayor, y el material puede mantenerla incluso en entornos químicamente exigentes.

A partir de los resultados de las mediciones, podemos comparar cómo afecta el impacto de la sustancia química a la resistencia y la tenacidad del material. 

De los materiales probados, el PC Blend destaca claramente como el material más resistente, incluso después de las pruebas detalladas. 

Para más información sobre nuestros materiales, visita nuestro sitio web prusament.com.