Esta é uma revisão de literatura para um estudo sobre a resistência química de polímeros imprimíveis em 3D. Esta revisão de literatura é inicialmente direcionada a produtos químicos líquidos que podem “atacar” polímeros impressos em 3D. No futuro, o ataque a gás e plasma poderá ser estudado, mas por enquanto está fora do escopo desta breve revisão.
Conteúdo
- 1 Introdução
- 2 Fontes
- 2.1 Artigos de jornal
- 2.1.1 Reactware integrado impresso em 3D para síntese e análise química
- 2.1.2 Dispositivos de reação milifluídicos e microfluídicos configuráveis impressos em 3D 'lab on a chip'
- 2.1.3 Análise ESI-MS paralela contínua de reações realizadas em um dispositivo impresso em 3D sob medida
- 2.1.4 Combinando impressão 3D e manuseio de líquidos para produzir produtos de reação fáceis de usar para síntese e purificação química
- 2.1.5 Avaliação da impressão 3D e seu impacto potencial na biotecnologia e nas ciências químicas
- 2.1.6 Reactionware hidrotérmico de alto rendimento impresso em 3D para descoberta, otimização e aumento de escala
- 2.1.7 Dispositivos microfluídicos impressos em 3D com eletrodos integrados versáteis e reutilizáveis
- 2.1.8 Impressão 3D de reatores versáteis para síntese química
- 2.2 Gráficos de resistência química
- 2.3 Livros
- 2.1 Artigos de jornal
- 3 Materiais de impressão 3D e suas propriedades químicas
- 3.1 ABS (acrilonitrila butadieno estireno)
- 3.2 ASA (acrilato de acrilonitrila estireno)
- 3.3 Co-poliésteres
- 3.4 FEP (etileno propileno fluorado)
- 3.5 Nylon
- 3.6 PC (policarbonato)
- 3.7 PEI (polieterimida)
- 3.8 PETG (tereftalato de polietileno modificado com glicol)
- 3.9 PETT (polietileno cotrimetileno tereftalato)
- 3.10 PLA (ácido polilático)
- 3.11 PP (polipropileno)
- 4 Pesquisas
Introdução
Nosso objetivo é descobrir quais filamentos de impressão 3D FFF (fabricação de filamentos fundidos) toleram os produtos químicos agressivos que usamos no processamento de semicondutores e outros processos de salas limpas. O FFF foi escolhido como método de impressão 3D preferido graças à sua versatilidade, economia e relativa facilidade. Os filamentos de impressão 3D são feitos de plástico com o uso de aditivos (plastificantes e corantes), e os fornecedores raramente ou nunca fornecem informações sobre eles ao cliente. Portanto, não é garantido que se um determinado polímero tolerar, por exemplo, HCl, objetos impressos em 3D feitos do mesmo polímero possam ser usados para fabricar materiais de laboratório personalizados. Mais adiante, não sabemos se a própria impressão (extrusão termoplástica) altera as propriedades químicas dos materiais.
O polipropileno (PP) é um polímero imprimível em 3D que pode tolerar muitos produtos químicos, e os autores dos artigos listados abaixo criaram vasos de reação e aplicações microfluídicas a partir dele. Mas estamos limitados ao PP? Para isso precisamos buscar pistas nas tabelas de compatibilidade química, também encontradas abaixo.
Faremos experiências com filamentos de impressão 3D e objetos impressos em 3D, testando-os em diferentes produtos químicos e observando se eles incham ou se dissolvem.
Fontes
Artigos de jornal
Reactware integrado impresso em 3D para síntese e análise química
Mark D. Symes, Philip J. Kitson, Jun Yan, Craig J. Richmond, Geoffrey JT Cooper, Richard W. Bowman, Turlif Vilbrandt e Leroy Cronin, Nature Chemistry 4, 349–354 (2012), doi:10.1038/nchem. 1313
- Reactionware para síntese inorgânica e orgânica
- Reactionware: combina recipiente de reação combinado com reagentes, catalisadores ou controle de forma para produzir o resultado desejado
- Impresso: catalisadores e caracterização in situ
- Modificar a geometria altera o resultado da reação
- Robocasting de polímero de acetoxisilicone (Loctite 5366): não requer calor, o material endurece rapidamente.
- As propriedades do material modificadas, por exemplo, pela mistura em negro de fumo condutor
- Reator reutilizável, reator clivado pode ser colado novamente com o mesmo material após ser aberto
Dispositivos de reação milifluídicos e microfluídicos configuráveis impressos em 3D 'lab on a chip'
Philip J. Kitson, Mali H. Rosnes, Victor Sans, Vincenza Dragone e Leroy Cronin, Lab Chip, 2012, 12, 3267–3271. DOI: 10.1039/c2lc40761b
- Dispositivos milifluídicos, feitos em PP (FFF, impressora 3DTouch)
- Propriedades do PP: robusto, flexível, quimicamente inerte, baixo custo
- Três dispositivos milifluídicos diferentes foram feitos e demonstrados
- Os recipientes para materiais sólidos foram preenchidos durante a impressão e a impressão continuou, o que selou os recipientes
- Método econômico e demorado em comparação aos métodos tradicionais, um único dispositivo leva apenas horas para ser construído
- Interesse futuro: compatibilidade com solventes
Análise ESI-MS paralela contínua de reações realizadas em um dispositivo impresso em 3D sob medida
Jennifer S. Mathieson, Mali H. Rosnes, Victor Sans, Philip J. Kitson e Leroy Cronin, Beilstein J. Nanotechnol. 2013, 4, 285–291. doi:10.3762/bjnano.4.31
- Dispositivo personalizado impresso em 3D conectado a um espectrômetro de massa
- Impressora 3DTouch usada para imprimir PP termoplástico
- PP: baixo custo, robusto, flexível, quimicamente inerte
- Acessórios roscados feitos de PEEK (mais duro que PP), proporcionam uma vedação mais firme
Combinando impressão 3D e manuseio de líquidos para produzir produtos de reação fáceis de usar para síntese e purificação química
Philip J. Kitson, Mark D. Symes, Vincenza Dragone e Leroy Cronin, Chem. Ciência, 2013, 4, 3099-3103. DOI: 10.1039/C3SC51253C
- Foi feito um reagente para uma reação em várias etapas, controle de etapas girando o dispositivo e deixando a gravidade fazer o trabalho -> eliminação da necessidade de bombas
- Abordagens de artigos anteriores combinadas: o recipiente foi impresso em PP, um robô de manuseio de líquidos foi usado para funcionalizá-lo
- PP: ponto de fusão aprox. 160°C, temperatura máxima de trabalho 150°C
- PP impermeável a vapores de hexano e éter dietético, o aumento de pressão pode precisar ser mitigado
Avaliação da impressão 3D e seu impacto potencial na biotecnologia e nas ciências químicas
Bethany C. Gross, Jayda L. Erkal, Sarah Y. Lockwood, Chengpeng Chen e Dana M. Spence, Anal. Química, 2014, 86 (7), pp 3240–3253, DOI: 10.1021/ac403397r
- Materiais FDM/FFF comuns: PC, ABS, PS, nylon, metais/cerâmica
- Muitos materiais poliméricos absorvem pequenas moléculas orgânicas, também podem absorver solventes orgânicos ou aquosos. Isto pode resultar no inchaço do material a granel
Reactionware hidrotérmico de alto rendimento impresso em 3D para descoberta, otimização e aumento de escala
Philip J. Kitson, Ross J. Marshall, Deliang Long, Ross S. Forgan e Leroy Cronin, Angew. Química. Internacional Ed. 2014, 53, 12723 –12728. DOI: 10.1002/anie.201402654
- Vasos de reação monolíticos selados em PP para síntese hidrotérmica. Reator array, que permitiu vários experimentos durante uma etapa de aquecimento.
- Economias consideráveis alcançadas com recipientes impressos em 3D em comparação com alternativas comerciais
- Outra vantagem: prototipagem rápida e facilidade de adaptação barata
- FDM/FFF do PP
- O PP começa a amolecer a 150°C, alguns reatores explodem no aquecimento devido ao aumento de pressão. Os reatores eram seguros para soluções aquosas/DMF durante 72 horas a 140°C.
Dispositivos microfluídicos impressos em 3D com eletrodos integrados versáteis e reutilizáveis
Jayda L. Erkal, Asmira Selimovic, Bethany C. Gross, Sarah Y. Lockwood, Eric L. Walton, Stephen McNamara, R. Scott Martin e Dana M. Spence, Lab Chip, 2014, 14, 2023-2032. DOI: 10.1039/C4LC00171K
- Dispositivos impressos em 3D, utilizados em detecção eletroquímica. Impresso em Objet Connex 350, material VeroClear (polímero à base de acrilato).
- Muitos materiais de eletrodos integrados nestes dispositivos para aplicações, por exemplo, na detecção de neurotransmissores, NO.
- CADs e impressão 3D: peças personalizadas instaladas em equipamentos comerciais, solução rápida de problemas, fácil compartilhamento de projetos com outras pessoas.
Impressão 3D de reatores versáteis para síntese química
Philip J. Kitson, Stefan Glatzel, Wei Chen, Chang-Gen Lin, Yu-Fei Song e Leroy Cronin, Nat. Protocolos, 2016, 11 (5), 920-936
- Descreve as etapas para fazer reactware impresso em 3D
- Desenvolvimento de tipo de código aberto impulsionando o crescimento da impressão 3D
- Vantagens da impressão 3D em química: topologia, geometria e composição de reatores controlados com precisão
- A versatilidade dos materiais 3DP é uma vantagem, mas todas as suas aplicações são impossíveis de descrever num único documento
- Métodos baseados em extrusão (FFF/FDM) populares e econômicos, materiais mais comuns em PLA e ABS
- FDM aplicado na fabricação de reatores fluídicos, mas a maior parte da pesquisa se concentrou em materiais imprimíveis em 3D, pós-tratamentos e baterias e LEDs
- Limitações: materiais à base de epóxi e acrilato usados em SL não são resistentes a solventes orgânicos ou pH extremos. Problemas semelhantes para PLA e ABS.
- FFF/FDM de nylon e PP mais promissores para aplicações químicas
- Polímeros perfluorados difíceis de imprimir (janela de temperatura pequena) e tóxicos.
- Materiais FFF/FDM convencionais adequados para materiais de laboratório biológico (soluções aquosas, pH suave)
- Escolha do material: inerte à química desejada. Escolha do autor: PP. Fácil de imprimir, boa resolução e quimicamente inerte.
- PP atacado por oxidantes muito fortes, também por solventes aquecidos (tolueno)
- Diferentes graus de PP requerem diferentes configurações de impressão (diferentes perfis de fusão e fluxo)
Gráficos de resistência química
- Gráfico enorme analítico da Rosemount, resistência em função da temperatura
- Plásticos Curbell
- Produtos Thermo Scientific Nalgene , laboratório Sevier da Universidade Cornell
- Ensinger Plásticos
- Sirmax
Livros
- Schreirs, J. Fluoropolímeros modernos. Scheirs, J., Ed (1997): 32.
- Moiseev, Yu V. e Gennadiĭ Efremovich Zaikov. Resistência química de polímeros em meios agressivos . Springer Science & Business Media, 1987.
- Seymour RB, Carraher CE (1984) Resistência Química de Polímeros . In: Estrutura – Relações de Propriedades em Polímeros. Springer, Boston, MA.
Materiais de impressão 3D e suas propriedades químicas
ABS (acrilonitrila butadieno estireno)
Um dos filamentos de impressão 3D mais utilizados. Vários fornecedores e disponíveis em várias cores. Potencialmente mais resistente à água e outros produtos químicos que o PLA.
De acordo com os plásticos Curbell , resistente aos seguintes produtos químicos:
- Ácido acético 5%
- Ácido acético 10%
- Solução de amônia 10%
- Etanol 96%
- HCl 2%
- HCl 36%
- H2O2 30%
- H3PO4 10%
- H3PO4 concentrado
- H2SO4 2%
- H2O frio
- H2O quente
Resistência limitada a:
- AF 40%
- IPA
Não resistente a:
- Ácido acético concentrado
- Acetona
- HNO3 2% (NOTA: o gráfico da Ensinger menciona que o Tecaran ABS é resistente a isso)
- H2SO4 98%
ASA (acrilato de acrilonitrila estireno)
Acrilato de acrilonitrila estireno , estruturalmente semelhante ao ABS, mas com melhor resistividade UV e propriedades mecânicas. Ligeiramente higroscópico.
Co-poliésteres
Filamentos comerciais para impressão 3D: Inova Co-Polyester, ColorFabb nGen. Nenhuma menção a propriedades químicas, não anunciado como material quimicamente resistente.
FEP (etileno propileno fluorado)
Deve estar no ponto ideal dos fluoropolímeros. Ponto de fusão baixo o suficiente para ser imprimível, mas quimicamente muito durável. De acordo com alguns dados, deve ser resistente a quase todos os produtos químicos líquidos à temperatura ambiente utilizados em salas limpas.
Nylon
Taulman Alloy 910 é aparentemente baseado em Nylon. É anunciado como quimicamente resistente, mas presumivelmente absorve muita água.
De acordo com os plásticos Curbell , o Nylon 6 é resistente aos seguintes produtos químicos:
- Ácido acético 5%
- Solução de amônia 10%
- Etanol 96%
- IPA
- H2O frio
Resistência limitada a:
- Acetona
- H2O quente
Não resistente a:
- Ácido acético concentrado
- Ácido acético 10%
- HCl 2%
- HCl 36%
- AF 40%
- H2O2 30%
- HNO3 2%
- H3PO4 10%
- H3PO4 concentrado
- H2SO4 2%
- H2SO4 98%
PC (policarbonato)
De acordo com os plásticos Curbell , resistente aos seguintes produtos químicos:
- Ácido acético 5%
- Ácido acético 10%
- HCl 2%
- HCl 36%
- HNO3 2%
- H3PO4 10%
- H3PO4 concentrado
- H2SO4 2%
- H2O frio
- H2O2 30% (conforme tabela Ensinger )
Resistência limitada a:
- Etanol 96%
- AF 40%
- IPA
- H2O quente
Não resistente a:
- Ácido acético concentrado
- Acetona
- Solução de amônia 10%
- H2SO4 98%
PEI (polieterimida)
Ultem(R) é o nome comercial de uma família de produtos PEI.
De acordo com a Curbell Plastics e a Ensinger , o Ultem(R) é resistente aos seguintes produtos químicos:
- Ácido acético 5%
- Ácido acético 10%
- Etanol 96%
- HCl 2%
- HCl 36%
- IPA
- HNO3 2%
- H3PO4 10%
- H2SO4 2%
- H2O frio
Resistência limitada a:
- H2O2 30%
Não resistente a:
- Ácido acético concentrado
- Acetona
- Solução de amônia 10%
- AF 40%
- H2SO4 98%
Outro:
- Informações conflitantes nos gráficos para H2O quente
- Não há dados disponíveis para H3PO4 concentrado
PETG (tereftalato de polietileno modificado com glicol)
O PET é usado em garrafas plásticas e embalagens de alimentos, enquanto o PETG (politereftalato de etileno modificado com glicol) é usado na impressão 3D. Temperatura de transição vítrea 88°C, menos frágil que PET.
PETT (polietileno cotrimetileno tereftalato)
Outra variante do PET, transparente. Taulman T-glase é feito de PETT .
PLA (ácido polilático)
Um dos filamentos de impressão 3D mais utilizados. Vários fornecedores e disponíveis em várias cores. Biodegradável, potencialmente pouco resistente a produtos químicos.
PP (polipropileno)
Resistente a vários produtos químicos de laboratório. Bastante resistente a ácidos e bases. Amplamente utilizado em salas limpas. É suscetível à oxidação por exemplo de peróxidos, pois é apenas um hidrocarboneto. Polipropileno impresso em 3D demonstrado em diversas aplicações químicas por Kitson et al.
De acordo com os plásticos Curbell , resistente aos seguintes produtos químicos:
- Ácido acético 5%
- Ácido acético 10%
- Ácido acético concentrado
- Acetona
- Solução de amônia 10%
- Etanol 96%
- HCl 2%
- HCl 36%
- AF 40%
- H2O2 30%
- IPA
- HNO3 2%
- H3PO4 10% (conforme tabela Ensinger
- H3PO4 concentrado
- H2SO4 2%
- H2SO4 98%
- H2O frio
- H2O quente
Resistência limitada a:
- Ácido acético concentrado (conforme tabela Ensinger
- H2O quente (conforme tabela Ensinger
Não resistente a:
Pesquisas
Google:
- Resistência química de materiais de impressão 3D
- Resistência química do filamento de impressão 3D
- Resistência química de polímeros
- Material de impressão 3D quimicamente resistente
- Filamento para impressão 3D quimicamente resistente
Estudioso:
- Resistência química de materiais de impressão 3D
- Resistência de materiais de fabricação de filamentos fundidos
- Resistência química de polímeros