Con il crescente interesse per la stampa 3D, nuovi materiali stanno arrivando sul mercato – e con essi nuovi mezzi e opportunità per l’utilizzo delle stampanti 3D. È comune che le stampe siano usate in condizioni esterne dove devono resistere al vento e alla pioggia, alla luce UV – o nell’industria – per sopportare dure sollecitazioni meccaniche. Spesso le stampe sono esposte a varie sostanze chimiche.

Ecco perché abbiamo deciso di esplorare in dettaglio la resistenza chimica dei materiali di stampa. Vi mostreremo i polimeri chimicamente resistenti e imparerete come l’esposizione ai prodotti chimici influisce sulla durata del materiale. 

Prusament PLA, PVB, PETG, ASA e PC-Blend sono stati esposti a varie sostanze chimiche: abbiamo scelto quelli che sono più comuni e sicuri da utilizzare.

Crediamo che i nostri test vi aiuteranno a scegliere il materiale adatto alle vostre esigenze.

Dove si usano materiali chimicamente resistenti?

La capacità del materiale di resistere a certi prodotti chimici è molto importante nell’industria: Nel settore manifatturiero e automobilistico, i prodotti finali sono spesso esposti a molti agenti aggressivi. Le parti per le linee di produzione sono comunemente a contatto con lubrificanti e prodotti di pulizia. I componenti delle automobili sono esposti – oltre ai lubrificanti e agli oli – a sostanze per la manutenzione. 

L’industria farmaceutica e alimentare richiedono una stabilità chimica dei materiali usati. E poiché i nuovi filamenti sono resistenti e stabili, troverete anche in queste industrie un impiego della stampa 3D e delle parti stampate.

Resistenza chimica dei polimeri

La resistenza chimica è la capacità del materiale di resistere quando è esposto a un ambiente chimicamente aggressivo. Attualmente, è disponibile un ampio assortimento di polimeri in grado di resistere agli acidi, ai solventi, all’alcool o all’acqua calda e ad altre sostanze. Questo articolo coprirà i polimeri più comunemente usati per la stampa 3D – e sono per lo più adatti all’uso in circostanze impegnative.

Fattori chiave che influenzano la resistenza chimica dei polimeri

Struttura molecolare del polimero

La resistenza chimica della plastica dipende principalmente dalla struttura fisica e chimica del polimero e dalla composizione chimica della sostanza. I polimeri usati per la stampa 3D hanno catene formate come una fase amorfa (disordinata) o semi-cristallina (parzialmente ordinata) dopo il raffreddamento. Nel semicristallino, i segmenti ordinati sono circondati da gruppi disordinati di catene. Il rapporto di questi segmenti (chiamato cristallinità) influenza la resistenza alla temperatura, la forza e la tenacità del polimero. Influisce anche sulla resistenza del polimero all’aggressività chimica. Così, un polimero più cristallino risulta più resistente ad una sostanza aggressiva rispetto ad un polimero meno cristallino. Anche l’orientamento dei legami del polimero e la presenza di riempitivi nel materiale possono avere un effetto.

La capacità di un materiale di resistere a un ambiente chimicamente aggressivo dipende non solo dalla sua resistenza chimica, ma anche da altri fattori che lo stressano: ciò include lo stress meccanico, l’assorbimento fisico della sostanza da parte del materiale, o la temperatura. Questi parametri possono influenzare significativamente i requisiti per la selezione del materiale. 

Se il materiale non è chimicamente resistente, si corre il rischio di una rapida degradazione dei suoi legami polimerici quando viene a contatto con una sostanza aggressiva. La conseguenza è una minore resistenza alla trazione, una minore tenacità all’urto e una minore durata del materiale – che può portare alla rottura del componente.

Assorbimento della sostanza

Quando un polimero subisce una reazione chimica, la struttura della catena polimerica viene modificata. Quando una sostanza viene fisicamente assorbita dal polimero, la catena non viene modificata, ma la sostanza viene assorbita nella plastica come una spugna che assorbe l’acqua. Internamente, la sostanza chimica può causare cambiamenti nel peso, nella mobilità delle catene polimeriche e nelle dimensioni del componente plastico. Questo può anche manifestarsi come ammorbidimento o, al contrario, come infragilimento della plastica.

Temperatura

La maggior parte dei processi di distribuzione sono dipendenti dalla temperatura. In pratica, questo significa che la degradazione chimica dei polimeri aumenta esponenzialmente con l’aumento della temperatura della sostanza. In generale, maggiore è la temperatura della sostanza, minore è la resistenza del materiale all’ambiente. Per esempio, si può osservare che lo stesso materiale è più resistente in acqua fredda che in acqua calda alla stessa concentrazione e durata di esposizione.

Concentrazione della sostanza chimica

Nella maggior parte dei casi, l’aumento della concentrazione della sostanza attiva accelera la degradazione del polimero.

Sollecitazioni meccaniche che agiscono sul materiale

Lo stress meccanico è un fattore importante quando viene esposto ad ambienti chimicamente aggressivi. Caricare un materiale in un ambiente chimicamente aggressivo può portare alla rottura dei legami covalenti, anche se il carico è inferiore al carico di snervamento del materiale. Si formano delle crepe che penetrano ulteriormente nella profondità del materiale, il che può portare alla rottura dell’integrità.

Design del modello 3D

Un altro parametro importante nei modelli stampati in 3D è il design e la qualità del modello stampato. Le sostanze corrosive possono penetrare attraverso l’oggetto stampato e ridurre significativamente la sua durata. Pertanto, è essenziale scegliere il materiale giusto e i parametri di stampa appropriati per il modello.

Resistenza chimica dei materiali di stampa 3D comunemente usati

In generale, i materiali tecnici sono i più resistenti ai prodotti chimici: Tra quelli con un’eccellente resistenza chimica ci sono PP (polipropilene), PA (poliammide, nylon), PE (polietilene), PEEK (polietereterchetone), PTFE (politetrafluoroetilene, Teflon), PVC (cloruro di polivinile), o PVDF (fluoruro di polivinilidene).

I materiali con una buona resistenza chimica includono PC (policarbonato), TPU, PETG, ASA o ABS. Tuttavia, la resistenza di questi materiali dipende dall’ambiente specifico, dalla temperatura ambientale e da altri tipi di sollecitazioni. Per esempio, il materiale ABS si degrada molto rapidamente in acetone. 

I materiali che non hanno caratteristiche tecniche – come PLA, PVB – non sono adatti all’uso in ambienti chimicamente aggressivi – con acidi, alcoli, ecc. 

Tabella della compatibilità chimica delle materie plastiche e della loro resistenza chimica

Di seguito è riportata una tabella indicativa dei polimeri più comunemente usati per la stampa 3D che sono stati testati con diverse sostanze chimiche. Secondo la valutazione della resistenza da A a D, si può determinare quale polimero è adatto per essere utilizzato con una determinata sostanza. I test sono stati eseguiti a 23 °C.

* Fridex è il nome industriale di un composto chimico usato nei refrigeranti antigelo per automobili. È un refrigerante concentrato a base di glicole etilenico.

** Savo è un agente pulente e disinfettante. Il disinfettante è l’ipoclorito di sodio, 4.7 g / 100 g.

Per un’analisi più accurata dei risultati sono necessari test di laboratorio più estesi. La durata del materiale e la sua resistenza chimica sono influenzate non solo dalla sostanza stessa, ma anche da influenze ambientali come la temperatura, la concentrazione della sostanza, lo stress meccanico sul componente e altri fattori menzionati sopra.

Test di resistenza chimica di Prusament PLA, PVB, PETG, ASA, PC Blend

La resistenza di ogni materiale variava a seconda della composizione chimica dell’ambiente a cui era esposto. È stato misurato l’effetto dell’ambiente sulla resistenza del materiale. Due proprietà del materiale – la sua forza e la sua resistenza – sono state confrontate in modo più dettagliato. 

Procedura di test

Più di 400 provini sono stati stampati per ogni materiale, sottoposti a carico chimico e poi sottoposti a misure di resistenza alla trazione Charpy e di forza d’impatto. La resistenza alla trazione è stata misurata secondo la norma ISO 527 su una macchina di prova universale. La resistenza all’impatto è stata misurata secondo la norma ISO 179. 

Il modello dei corpi di prova è stato generato dal programma PrusaSlicer. Il G-code conteneva le impostazioni di stampa per il profilo del materiale Prusament per il materiale dato – cioè Prusament PLA, Prusament PETG, Prusament ASA, Prusament PC Blend e Prusament PVB, riempimento 100%, 2 perimetri, altezza strato 0,2 mm. L’orientamento del modello sul piano di stampa era sull’asse XY. 

Tutti i materiali sono stati testati in nove sostanze, che hanno mostrato diverse composizioni chimiche – acqua, etanolo (EtOH), alcol isopropilico (IPA) 75% e 99%, aceto 8% (il cui componente principale è l’acido acetico), sale da cucina (NaCl) 10%, acido citrico (C6H8O7), Fridex (glicole etilenico) e Savo (contenente ipoclorito di sodio come principio attivo. Mescolato con acqua in un rapporto di 1:10). 

L’esposizione dell’ambiente chimico al materiale è stata effettuata a temperatura ambiente di circa 23° a quattro intervalli di tempo – 1 ora, 7 ore, 24 ore e 7 giorni. 

Risultati dei test

I dati ottenuti dalle misure di resistenza alla trazione e all’impatto sono mostrati graficamente. I valori ottenuti sono stati convertiti in percentuali – è quindi possibile vedere come le proprietà del materiale cambiano a seconda del tempo di esposizione e dell’ambiente chimico. L’aumento o la diminuzione della resistenza chimica in un particolare ambiente può essere tracciato dai cambiamenti percentuali sui grafici. Per confrontare il cambiamento nella forza o nella tenacità del materiale con il valore di base, un campione di prova (chiamato standard) che non è stato esposto a nessuna sostanza chimica viene mostrato su ogni grafico. La stampa dello standard è stata effettuata nelle stesse condizioni.

PLA

Resistenza alla trazione: 

Valore Iniziale: 55 MPa = 100%

Secondo i valori del grafico, si può osservare che la resistenza alla trazione del PLA è diminuita leggermente a contatto con l’acqua. La diminuzione della resistenza è stata più pronunciata in ambienti più aggressivi. Una rapida diminuzione della resistenza è stata registrata a contatto con Fridex (glicole etilenico) dopo 1 ora. Una graduale diminuzione della resistenza si è verificata al contatto con l’IPA dopo più di 24 ore. Quando il materiale PLA è stato immerso in acetone, il corpo di prova è collassato.

Resistenza all’impatto (secondo Charpy):

Valore Iniziale: 15 kJ/m² = 100 %

La resistenza agli impatti del PLA era leggermente più alta quando era a contatto con ambienti meno aggressivi. Una diminuzione più pronunciata della resistenza si è verificata con l’esposizione in Fridex (glicole etilenico) e Savo.

PVB

Resistenza alla trazione:

Valore iniziale: 52 MPa = 100 %

Il materiale PVB ha dimostrato di essere altamente assorbente e quindi la sua forza ne ha risentito. Per le sostanze meno aggressive, non si è registrata una rapida diminuzione della resistenza, ma la tendenza ha mostrato che la resistenza diminuiva con il passare del tempo. Al contatto con le sostanze Etanolo, IPA, Acetone il corpo di prova si è ammorbidito e parzialmente dissolto dopo 1 ora, dopo un’esposizione più lunga è collassato. Tali sostanze infatti non sono state contrastate dal PVB, pertanto non è stato possibile misurare i campioni.

Resistenza all’impatto (secondo Charpy):

Valore iniziale: 54 kJ/m² = 100 %

Il materiale PVB ha mostrato una bassa resistenza chimica e una significativa capacità di assorbimento. Ciò ha comportato un aumento della resistenza all’impatto per tutte le sostanze testate. Le sostanze Etanolo, IPA e Acetone hanno completamente distrutto la struttura dei corpi di prova. Anche in questo caso, i campioni di prova erano inutilizzabili per ulteriori misurazioni dopo solo 1 ora di esposizione. 

PETG

Resistenza alla trazione: 

Valore iniziale: 47 MPa = 100 %

Per il PETG, la resistenza alla trazione è cambiata significativamente al contatto con l’acetone. Per le altre sostanze, la forza si discosta di qualche punto percentuale. Cambiamenti più significativi si sono verificati dopo periodi di esposizione più lunghi. Durante l’esposizione alla sostanza per 7 giorni, la forza del corpo di prova immerso in etanolo, IPA 75% e IPA 99%, acetone è diminuita.

Resistenza all’impatto (secondo Charpy):

Valore iniziale: 65 kJ/m² = 100 %

La resistenza agli impatti del PETG è rimasta quasi invariata solo in caso di contatto con l’acqua. A contatto con Savo, il valore di resistenza è rimasto quasi lo stesso dopo 24 ore. Tuttavia, è diminuito con un tempo di esposizione più lungo ed è sceso a valori intorno al 92%. Per le altre sostanze si è registrata una diminuzione significativa della resistenza. Nel caso di IPA, aceto, acetone e Fridex la diminuzione della resistenza è più pronunciata.

ASA

Resistenza alla trazione:

Valore Iniziale: 42 MPa = 100 %

L’ASA era resistente a sostanze come acqua, acido citrico, Fridex, Savo, anche con tempi di esposizione prolungati. Una diminuzione più significativa della resistenza alla trazione si è verificata in etanolo, IPA 75% e IPA 99%. In acetone, il corpo di prova è crollato, quindi la misurazione non ha potuto essere eseguita.

Resistenza all’impatto (secondo Charpy):

Valore iniziale: 25 kJ/m² = 100 %

La resistenza all’urto di ASA è diminuita quando è stato usato in ambienti chimicamente aggressivi. Secondo il grafico possiamo confrontare la perdita di resistenza, che è stata più pronunciata per NaCl 10% dopo 24 ore di esposizione. Tuttavia, il contrario è vero per i valori di tenacità misurati per i campioni esposti a etanolo, IPA 75%, o acido citrico, dove la tenacità è stata quasi mantenuta rispetto al valore del campione di prova (standard). Il materiale ASA non resiste all’acetone, quindi anche qui il corpo di prova è collassato durante l’esposizione.

PC Blend

Resistenza alla trazione:

Valore iniziale: 63 MPa = 100%

PC Blend ha dimostrato di essere un materiale con resistenza stabile, ma poco resistente all’acetone. La resistenza è diminuita significativamente dopo 24 ore a contatto con l’acetone e la perdita di resistenza è stata più pronunciata con un’esposizione più lunga.

Resistenza all’impatto (secondo Charpy):

Valore iniziale: 110 kJ/m² = 100 %. Charpy 100/100. Si può quindi affermare che la resistenza all’urto del provino è superiore a 110 kJ/m². 

Il valore 100% nel grafico indica la massima energia misurabile per la rottura del corpo di prova (standard). In pratica, questo significa che lo standard e gli altri corpi di prova con un valore del 100% hanno sopportato un impatto del martello di 4 J senza rompersi o subire danni significativi. Tenendo conto delle dimensioni del provino, si può affermare che la resistenza all’impatto dei provini con un valore del 100% è superiore al 100 kJ/m2.

Conclusioni

Prusament PC Blend è uno dei nostri materiali chimicamente più resistenti. Le sue eccellenti proprietà sono confermate dai test di resistenza chimica. La resistenza alla trazione di PC Blend è superiore a quella di altri materiali e non diminuisce significativamente anche quando le parti stampate sono esposte a sostanze chimiche selezionate. La resistenza all’urto di PC Blend è significativamente più alta, e il materiale è in grado di mantenerla anche in ambienti chimicamente difficili.

Dai risultati delle misurazioni, possiamo confrontare come l’impatto della sostanza chimica influenza la forza e la resistenza del materiale. 

Tra i materiali testati, PC Blend si distingue chiaramente come il materiale più robusto anche dopo test dettagliati. 

Per ulteriori informazioni sui nostri materiali, visitate il nostro sito web prusament.com.