Introducere
Tehnologiile de fabricație aditivă, în special imprimarea 3D cu filamente, s-au dezvoltat considerabil în ultimii ani și sunt utilizate din ce în ce mai mult în domenii precum prototiparea, designul, arhitectura, artele și meșteșugurile, precum și componentele funcționale pentru utilizare în interior și în exterior. De un interes deosebit sunt așa-numitele "filamente umplute", în care materialul de bază - adesea acid polilactic (PLA) - este completat cu umpluturi funcționale, cum ar fi fibre de lemn sau pulbere metalică (de exemplu, oțel inoxidabil). Aceste combinații de materiale deschid noi posibilități în ceea ce privește aspectul, textura și funcționalitatea obiectelor imprimate.
Filamentele PLA umplute cu lemn conferă componentelor o suprafață naturală și sunt adesea utilizate în proiectarea mobilierului, realizarea de modele sau dezvoltarea de produse durabile. Variantele PLA umplute cu metal, pe de altă parte, permit crearea de obiecte cu o greutate mai mare, stabilitate îmbunătățită sau estetică specifică, de exemplu, elemente decorative sau prototipuri funcționale cu rezistență sporită la temperatură. Aceste materiale sunt utilizate de Asociația germană de cercetare pentru unelte și materiale (FGW), de exemplu, în construcția de demonstratoare și prototipuri pentru dezvoltarea de unelte în vederea creării unor soluții de aplicare mai durabile.
Figura 1 prezintă exemple de aplicații ale filamentelor PLA umplute cu lemn și metal în contextul construcției de demonstratoare și prototipuri. În stânga sunt prezentate mânere de cuțite și unelte realizate din filamente umplute cu lemn, care oferă o senzație plăcută, precum și o suprafață naturală, estetică. A doua imagine prezintă un demonstrator funcțional de clește de sertizat bazat pe mecanisme flexibile - un exemplu de punere în aplicare a mecanicii de mișcare complexe utilizând fabricarea aditivă cu materiale durabile. În dreapta se află un șurub cu o piuliță corespunzătoare, fabricat din filament umplut cu bronz, care servește drept prototip ilustrativ pentru aplicații asemănătoare metalelor, datorită greutății crescute și aspectului său metalic.
Un avantaj cheie al filamentelor pe bază de PLA este biodegradabilitatea lor și producția lor relativ ecologică din materii prime regenerabile, cum ar fi amidonul de porumb sau trestia de zahăr.
Umplerea selectivă cu materiale organice sau anorganice permite dezvoltarea de compuși PLA care nu numai că sunt mai sustenabili, dar care, de asemenea, egalează - sau chiar depășesc - proprietățile mecanice și rezistența la intemperii ale filamentelor convenționale (non-biodegradabile), cum ar fi ABS sau PETG, toate acestea menținând costuri de producție comparabile sau chiar mai mici.
Pentru a evalua caracterul adecvat al filamentelor PLA umplute pentru aplicații solicitante, o caracterizare pur mecanică nu este suficientă. În special atunci când se dezvoltă materiale durabile, este esențial să se înțeleagă cu precizie rezistența termică și comportamentul de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere termică al acestora. Aici este unde analiza termogravimetrică (TGA) oferă informații valoroase.
Prin înregistrarea precisă a pierderilor de masă în funcție de temperatură, se pot trage concluzii cu privire la stabilitatea suportului polimeric, prezența și cantitatea de materiale de umplutură, precum și începutul și evoluția proceselor de degradare termică. În combinație cu analiza gazelor evoluate - de exemplu, prin FT-IR - pot fi identificați și produsele de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere rezultate.
În acest studiu, au fost comparate două filamente pe bază de PLA disponibile în comerț, umplute cu lemn și oțel inoxidabil. Parametrii de măsurare sunt detaliați în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Instrument | TG 309 Libra®, cuplat la Bruker Optics FT-IR INVENIO prin intermediul unei celule de gaz externe |
|---|---|
| Program de temperatură | RT-850°C, atmosferă de N2, 850°C-1000°C, atmosferă de aer |
| Rata de încălzire | 10 K/min |
| Masa probei | 15-20 mg |
| Creuzet | Al2O3, 85 μl, deschis |
Rezultate și discuții
La început, au fost înregistrate spectrele ATR FT-IR ale celor două materii prime (figura 2). Ambele filamente PLA umplute au arătat o concordanță foarte bună cu spectrul PLA existent în baza de date. Cu toate acestea, influența materialului de umplere existent nu poate fi încă identificată aici.
Figura 3 prezintă o comparație a rezultatelor TGA pentru cele două filamente umplute. Ambele filamente au fost încălzite într-o atmosferă inertă până la 850°C la 10 K/min. Filamentul umplut cu lemn a prezentat deja o pierdere de masă small de 1,02% sub 200°C, care se datorează probabil eliberării umidității din conținutul de lemn. PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.Piroliza s-a declanșat pentru ambele probe la peste 250°C. Aici, a fost detectată o pierdere de masă de 39,73% pentru filamentul umplut cu oțel inoxidabil.
În cazul filamentului umplut cu lemn, PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.piroliza componentei polimerice a fost suprapusă de PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.piroliza componentei lemnoase. Aceasta a condus la o pierdere totală de masă de 90,59%. În cele din urmă, peste 850°C, aerul sintetic a fost utilizat ca gaz de purjare. Proba care conținea lemn a prezentat combustia funinginii rezultate din piroliză. În schimb, proba umplută cu oțel inoxidabil a prezentat o ușoară creștere a masei, care poate fi atribuită oxidării conținutului de metal. Masele reziduale ale celor două probe sunt denumite conținut de cenușă și s-au ridicat la 1,70% (PLA+lemn) și 62,15% (PLA+oțel inoxidabil).
Domeniile de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire ale probelor pot fi luate din semnalul c-DTA® (DTA calculată). Acestea au fost de aproximativ 150°C. Intervalul de temperatură peste temperatura de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire și sub începutul descompunerii poate fi utilizat ca temperatură de procesare pentru imprimarea 3D. Cu toate acestea, o temperatură de imprimare prea ridicată poate face ca degradarea polimerului să înceapă deja în timpul procesului de imprimare.
Pentru a analiza gazele dezvoltate, acestea au fost transferate în celula externă de măsurare a gazelor a Bruker FT-IR INVENIO cu ajutorul unei linii de transfer încălzite. Spectrele obținute sunt prezentate în figura 4. PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.Piroliza polimerului prezintă aceleași caracteristici pentru ambele probe (spectrul albastru și roșu), chiar dacă nu pot fi identificate componente individuale. Banda IR de la 1790 cm-1 indică eliberarea unei funcții carbonil, care apare de obicei în produsele de degradare ale PLA. Este de presupus că mai multe substanțe sunt eliberate simultan.
Spectrul verde din figura 4 arată PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.piroliza componentelor din lemn. În plus față de funcțiile carbonil, devin vizibile alte vârfuri și umeri. De exemplu, au fost detectate funcționalități CH șiCO2, care sunt tipice pentru degradarea termică a probelor de biomasă. Se poate deduce de aici că materialul de umplutură din lemn este descompus la temperaturi mai ridicate, în timp ce numai baza PLA este descompusă la temperaturi mai scăzute.
Concluzie
TGA-FT-IR poate fi utilizat pentru a obține informații complete privind stabilitatea termică și compoziția filamentelor PLA umplute. Analiza arată intervalul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire a matricei PLA și începutul descompunerii termice. Aceste date pot fi utilizate pentru a Identify o fereastră de prelucrare sigură. Materiile de umplutură organice, cum ar fi lemnul, produc compuși volatili și funingine de piroliză în timpul pirolizei, în timp ce materiile de umplutură metalice lasă un reziduu clar de cenușă care poate fi utilizat pentru a determina conținutul de material de umplutură.
Analiza FT-IR cuplată a gazelor permite identificarea produselor de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere eliberate. Astfel, compoziția materialului poate fi evaluată cu precizie și materialul, inclusiv tipul de umplutură, poate fi identificat în mod clar.