Avec l’intérêt croissant pour l’impression 3D, de nouveaux matériaux arrivent sur le marché – et avec eux de nouveaux moyens et opportunités d’utilisation des imprimantes 3D. Il est courant que les impressions soient utilisées dans des conditions extérieures où elles doivent résister au vent et à la pluie, aux rayons UV – ou dans l’industrie – résister à des contraintes mécaniques sévères. Les impressions sont souvent exposées à divers produits chimiques.

C’est pourquoi nous avons décidé d’explorer en détail la résistance chimique des matériaux d’impression. Nous vous montrerons des polymères résistants aux produits chimiques et vous apprendrez comment l’exposition aux produits chimiques affecte la durabilité des matériaux. 

Les Prusament PLA, PVB, PETG, ASA et PC-Blend ont été exposés à diverses substances chimiques : nous avons choisi celles qui sont courantes et sans danger à manipuler.

Nous pensons que nos tests vous aideront à choisir le bon matériau adapté à vos besoins.

Où sont utilisés les matériaux résistants aux produits chimiques ?

La capacité des matériaux à résister à certains produits chimiques est très importante dans l’industrie : dans la fabrication et l’automobile, les produits finis sont souvent exposés à de nombreux matériaux agressifs. Les pièces destinées aux lignes de fabrication sont couramment en contact avec des lubrifiants et des produits de nettoyage. Outre les lubrifiants et les huiles, les composants automobiles sont exposés à des substances d’entretien. 

L’industrie pharmaceutique et alimentaire exige la stabilité chimique des matériaux utilisés. Et parce que les nouveaux filaments sont résistants et stables, vous trouverez également une utilisation pour l’impression 3D et les pièces imprimées dans ces industries.

Résistance chimique des polymères

La résistance chimique est la capacité d’un matériau à résister lorsqu’il est exposé à un environnement chimiquement agressif. Aujourd’hui, il existe un large éventail de polymères capables de résister aux acides, aux solvants, à l’alcool ou à l’eau chaude et à d’autres substances. Cet article couvrira les polymères les plus couramment utilisés pour l’impression 3D – et sont principalement adaptés à une utilisation dans des circonstances exigeantes.

Facteurs clés qui affectent la résistance chimique des polymères

Structure moléculaire du polymère

La résistance chimique des plastiques dépend principalement de la structure physique et chimique du polymère et de la composition chimique de la substance. Les polymères utilisés pour l’impression 3D ont des chaînes formées sous forme de phase amorphe (désordonnée) ou semi-cristalline (partiellement ordonnée) après refroidissement. Dans les semi-cristallins, les segments ordonnés sont entourés d’amas désordonnés de chaînes. Le rapport de ces segments (appelé cristallinité) affecte la résistance à la température, la résistance et la ténacité du polymère. Il affecte également la résistance du polymère à l’agressivité chimique. Ainsi, un polymère plus cristallin est plus résistant à une substance agressive qu’un polymère moins cristallin. L’orientation des liaisons polymères et la présence de charges dans le matériau peuvent également avoir un effet.

La capacité d’un matériau à résister à un environnement chimiquement agressif dépend non seulement de sa résistance chimique, mais également d’autres facteurs qui le sollicitent : cela comprend les contraintes mécaniques, l’absorption physique de la substance par le matériau ou la température. Ces paramètres peuvent influencer de manière significative les exigences de sélection des matériaux. 

Si le matériau n’est pas chimiquement résistant, il existe un risque de dégradation rapide de ses liaisons polymères au contact d’une substance agressive. La conséquence est une résistance à la traction plus faible, une ténacité aux chocs plus faible et une durée de vie du matériau plus courte – qui peuvent toutes entraîner une défaillance des composants.

Absorption de la substance

Lorsqu’un polymère subit une réaction chimique, la structure de la chaîne polymère est affectée. Lorsqu’une substance est physiquement absorbée par le polymère, la chaîne n’est pas affectée, mais la substance est absorbée dans le plastique ressemblant à une éponge absorbant l’eau. En interne, le produit chimique peut provoquer des modifications du poids, de la mobilité des chaînes polymères et des dimensions du composant plastique. Cela peut également se manifester par un ramollissement ou, au contraire, une fragilisation du plastique.

Température

La plupart des processus de diffusion dépendent de la température. En pratique, cela signifie que la dégradation chimique des polymères augmente de manière exponentielle avec une température plus élevée de la substance. En général, plus la température de la substance est élevée, plus la résistance du matériau à l’environnement est faible. Par exemple, on peut observer qu’un même matériau est plus résistant à l’eau froide qu’à l’eau chaude à même concentration et durée d’exposition.

Concentration de substance chimique

Dans la plupart des cas, l’augmentation de la concentration de la substance active accélère la dégradation du polymère.

Contrainte mécanique agissant sur le matériau

Le stress mécanique est un facteur important lorsqu’il est exposé à des environnements chimiquement agressifs. Le chargement d’un matériau dans un environnement chimiquement agressif peut entraîner la rupture des liaisons covalentes, même si la charge est inférieure à la limite d’élasticité du matériau. Des fissures se forment qui pénètrent davantage dans la profondeur du matériau, ce qui peut entraîner une défaillance de l’intégrité.

Design des modèles 3D

Un autre paramètre important dans les modèles imprimés en 3D est le design et la qualité du modèle imprimé. Les substances corrosives peuvent pénétrer à travers l’objet imprimé et réduire considérablement sa durée de vie. Par conséquent, il est essentiel de choisir le bon matériau et les bons paramètres d’impression pour le modèle.

Résistance chimique des matériaux d’impression 3D couramment utilisés

En général, les matériaux d’ingénierie sont les plus résistants aux produits chimiques : ceux qui ont une excellente résistance chimique comprennent le PP (polypropylène), le PA (polyamide, nylon), le PE (polyéthylène), le PEEK (polyétheréthercétone), le PTFE (polytétrafluoroéthylène, Téflon), le PVC (polyvinyle chlorure), ou le PVDF (fluorure de polyvinylidène).

Les matériaux ayant une bonne résistance chimique comprennent le PC (polycarbonate), le TPU, le PETG, l’ASA ou l’ABS. Cependant, la résistance de ces matériaux dépend de l’environnement spécifique, de la température ambiante et d’autres types de contraintes. Par exemple, le matériau ABS se dégrade très rapidement dans l’acétone. 

Les matériaux qui n’ont pas de caractéristiques techniques – tels que le PLA, le PVB – ne conviennent pas à une utilisation dans des environnements chimiquement agressifs – acides, alcools, etc. 

Tableau de compatibilité chimique des matières plastiques et leur résistance chimique

Vous trouverez ci-dessous un tableau indicatif des polymères les plus couramment utilisés pour l’impression 3D qui ont été testés dans divers produits chimiques. Selon la cote de résistance de A à D, il est possible de déterminer quel polymère convient pour une utilisation dans une substance donnée. Les tests ont été effectués à 23 °C.

* Fridex est le nom industriel d’un composé chimique utilisé dans les liquides de refroidissement antigel pour automobiles. C’est un liquide de refroidissement concentré à base d’éthylène glycol.

** Savo est un agent nettoyant et désinfectant. Le désinfectant est l’hypochlorite de sodium, 4,7 g/100 g.

Des tests de laboratoire plus approfondis sont nécessaires pour une analyse plus précise des résultats. La durabilité du matériau et sa résistance chimique sont influencées non seulement par la substance elle-même, mais également par des influences environnementales telles que la température, la concentration de la substance, les contraintes mécaniques sur le composant et d’autres facteurs mentionnés ci-dessus.

Tests de résistance chimique des Prusament PLA, PVB, PETG, ASA, PC Blend

La résistance de chaque matériau variait en fonction de la composition chimique de l’environnement auquel il était exposé. L’effet de l’environnement sur la résistance du matériau a été mesuré. Deux propriétés du matériau – sa résistance et sa ténacité – ont été comparées plus en détail. 

Processus de test

Plus de 400 spécimens de test ont été imprimés pour chaque matériau, soumis à une sollicitation chimique puis soumis à des mesures de Charpy de résistance à la traction et aux chocs. La résistance à la traction a été mesurée selon la norme ISO 527 sur une machine d’essai universelle. La résistance aux chocs a été mesurée conformément à la norme ISO 179. 

Le modèle des corps de test a été généré par le programme PrusaSlicer. Le G-code contenait les paramètres d’impression pour le profil de matériau Prusament pour le matériau donné – à savoir Prusament PLA, Prusament PETG, Prusament ASA, Prusament PC Blend et Prusament PVB, remplissage 100%, 2 périmètres, hauteur de couche 0,2 mm. L’orientation du modèle sur le plateau d’impression était dans l’axe XY. 

Tous les matériaux ont été testés dans neuf substances, qui présentaient des compositions chimiques différentes – eau, éthanol (EtOH), alcool isopropylique (IPA) 75% et 99%, vinaigre 8% (dont le composant principal est l’acide acétique), sel de table (NaCl) 10 %, acide citrique (C6H8O7), Fridex (éthylène glycol) et Savo (contenant de l’hypochlorite de sodium comme ingrédient actif. Mélangé avec de l’eau dans un rapport de 1:10). 

L’exposition de l’environnement chimique au matériau a été effectuée à une température ambiante d’environ 23°C à quatre intervalles de temps – 1 heure, 7 heures, 24 heures et 7 jours. 

Résultats de test

Les données obtenues à partir des mesures de résistance à la traction et de résistance aux chocs sont représentées graphiquement. Les valeurs obtenues ont été converties en pourcentages – il est donc possible de voir comment les propriétés du matériau changent en fonction du temps d’exposition et de l’environnement chimique. L’augmentation ou la diminution de la résistance chimique dans un environnement particulier peut être suivie par les variations en pourcentage sur les graphiques. Pour comparer le changement de résistance ou de ténacité du matériau avec la valeur de référence, un échantillon de test (appelé standard) qui n’a été exposé à aucun produit chimique est affiché sur chaque graphique. L’impression de la norme a été réalisée dans les mêmes conditions.

PLA

Résistance à la traction : 

Valeur initiale : 55 MPa = 100%

D’après les valeurs du graphique, on peut observer que la résistance à la traction du PLA diminue légèrement au contact de l’eau. La diminution de la résistance était plus prononcée dans des environnements plus agressifs. Une diminution rapide de la résistance a été enregistrée au contact du Fridex (éthylène glycol) après 1 heure. Une diminution graduelle de la force s’est produite au contact de l’IPA après plus de 24 heures. Lorsque le matériau PLA a été immergé dans de l’acétone, le corps de test s’est effondré.

Résistance aux chocs (selon Charpy) :

Valeur initiale :15 kJ/m² = 100 %

La résistance aux chocs du PLA était légèrement plus élevée lorsqu’il était en contact avec des environnements moins agressifs. Une diminution plus prononcée de la ténacité s’est produite avec l’exposition au Fridex (éthylène glycol) et au Savo. 

PVB

Résistance à la traction :

Valeur initiale : 52 MPa = 100 %

Le matériau PVB s’est avéré être très absorbant et sa résistance a donc été affectée. Pour les matériaux moins agressifs, il n’y a pas eu de diminution rapide de la résistance, mais la tendance a montré que la résistance diminuait avec le temps. Au contact des substances Éthanol, IPA, Acétone, le corps d’essai s’est ramolli et s’est partiellement dissous après 1 heure, après une exposition plus longue, il s’est effondré. Ces substances n’ont pas résisté au PVB, il n’a donc pas été possible de mesurer les échantillons.

Résistance aux chocs (selon Charpy) :

Valeur initiale : 54 kJ/m² = 100 %

Le matériau PVB a montré une faible résistance chimique et un mouillage important. Cela a entraîné une augmentation de la résistance aux chocs pour tous les objets testés. Les substances Éthanol, IPA et Acétone ont complètement perturbé la structure des corps de test. Encore une fois, les échantillons de test étaient inutilisables pour d’autres mesures après seulement 1 heure d’exposition. 

PETG

Résistance à la traction : 

Valeur initiale : 47 MPa = 100 %

Pour le PETG, la résistance à la traction a changé significativement au contact de l’acétone. À travers les autres substances, la force dévie de quelques pour cent. Des changements plus significatifs se sont produits après des temps d’exposition plus longs. Lors d’une exposition à la substance pendant 7 jours, la force du corps de test immergé dans l’éthanol, l’IPA 75% et l’IPA 99%, l’acétone a diminué.

Résistance aux chocs (selon Charpy) :

Valeur initiale : 65 kJ/m² = 100 %

La résistance aux chocs du PETG est restée pratiquement inchangée uniquement au contact de l’eau. Au contact du Savo, la valeur de ténacité est restée quasiment la même après 24 heures. Cependant, elle a diminué avec un temps d’exposition plus long et a chuté à des valeurs d’environ 92 %. Pour les autres substances, il y a eu une diminution significative de la ténacité. Pour l’IPA, le vinaigre, l’acétone et le Fridex, la diminution de la ténacité est la plus prononcée. 

ASA

Résistance à la traction :

Valeur initiale :42 MPa = 100 %

L’ASA était résistant à des substances telles que l’eau, l’acide citrique, le Fridex, le Savo, même avec un temps d’exposition prolongé. Une diminution plus significative de la résistance à la traction s’est produite dans l’éthanol, l’IPA 75 % et l’IPA 99 %. Dans l’acétone, le corps d’essai s’est effondré, par conséquent, la mesure n’a pas pu être effectuée. 

Résistance aux chocs (selon Charpy) :

Valeur initiale : 25 kJ/m² = 100 %

La résistance aux chocs de l’ASA a diminué lorsqu’il est utilisé dans des environnements chimiquement agressifs. Selon le graphique, nous pouvons comparer la perte de ténacité, qui était la plus prononcée pour le NaCl 10% après 24 heures d’exposition. Cependant, l’inverse est vrai pour les valeurs de ténacité mesurées pour les échantillons exposés à l’éthanol, à l’IPA 75% ou à l’acide citrique, où la ténacité est quasiment maintenue par rapport à la valeur de l’échantillon de test (standard). Le matériau ASA ne résiste pas à l’acétone, donc ici aussi le corps d’épreuve s’est effondré pendant l’exposition.

PC Blend

Résistance à la traction :

Valeur initiale : 63 MPa = 100%

Le PC Blend s’est avéré être un matériau stable, mais peu résistant à l’acétone. La résistance a chuté de manière significative au contact de l’acétone après 24 heures et la perte de résistance était plus prononcée avec une exposition plus longue.

Résistance aux chocs (selon Charpy) :

Valeur initiale : 110 kJ/m² = 100 %. Charpy 100/100. On peut donc affirmer que la résistance aux chocs du spécimen de test est supérieure à 110 kJ/m². 

La valeur 100% dans le graphique indique l’énergie maximale mesurable pour casser le corps de test (norme). En pratique, cela signifie que les corps de test standards et autres avec une valeur de 100% ont résisté à un impact de marteau de 4 J sans se casser ni subir de dommages importants. Compte tenu des dimensions du spécimen, on peut affirmer que la résistance aux chocs des spécimens avec une valeur de 100 % est supérieure à 100 kJ/m2.

Conclusion

Le Prusament PC Blend est l’un de nos matériaux les plus résistants aux produits chimiques. Ses excellentes propriétés sont confirmées par des tests de résistance chimique. La résistance à la traction de PC Blend est supérieure à celle des autres matériaux et ne diminue pas de manière significative même lorsque les pièces imprimées sont exposées à des produits chimiques sélectionnés. La résistance aux chocs du PC Blend est nettement plus élevée, ce que le matériau peut maintenir même dans des environnements chimiquement exigeants.

À partir des résultats de mesure, nous pouvons comparer comment l’impact du produit chimique affecte la résistance et la ténacité du matériau. 

Parmi les matériaux testés, le PC Blend se distingue clairement comme le matériau le plus résistant, même après des tests détaillés. 

Pour plus d’informations sur nos matériaux, veuillez visiter notre site web prusament.com.