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Chimie de l’impression 3D 101: La composition moléculaire du plastique PAEK, PEKK et PEEK

Si vous êtes quelque chose comme cet auteur, vous avez obtenu un C- en chimie au lycée et vous n’avez jamais regardé en arrière. Avec un nouvel intérêt pour le sujet, j’espère revoir la science moléculaire de certains des matériaux les plus populaires de l’impression 3D pour les comprendre, pas seulement en termes d’applications et de propriétés physiques, mais aussi de composition chimique.

Selon son « Marchés et applications de la fabrication additive polymère: 2020-2029», SmarTech Analysis s’attend à ce que l’impression 3D polymère génère jusqu’à 11,7 milliards de dollars de chiffre d’affaires en 2020, grâce aux ventes de matériel AM polymère et de toutes les familles de matériaux associées. En particulier, la famille des plastiques polyaryléthercétones (PAEK) est l’une des plus importantes dans le domaine des additifs en raison de sa résistance élevée, sa résistance à la température et sa résistance chimique. Ce groupe comprend PAEK, polyéther cétone cétone (PEKK) et polyéther éther cétone (PEEK). Les PAEK diffèrent de leur alternative moins coûteuse, le polyétherimide (PEI), qui est plus reconnaissable sous la marque SABIC ULTEM et souvent discutée dans le même contexte que les polymères PAEK.

En raison des propriétés ci-dessus, les PAEK sont bien connus dans les industries à haute performance, telles que l’aérospatiale, le pétrole et le gaz et l’automobile. Leur capacité à subir une stérilisation sans se détériorer les rend également bien adaptés aux applications médicales, y compris les implants médicaux comme les hanches artificielles. Contrairement à d’autres matériaux, le PEI pour la fabrication additive (FA), en particulier, a reçu les certifications nécessaires pour être utilisé dans des applications aérospatiales critiques.

Pour en savoir plus sur la chimie de la famille PAEK, nous avons contacté Victrex, qui est le principal fournisseur de polymères PAEK pour l’impression 3D et a inventé le PEEK spécifiquement en 1926. John Grasmeder, scientifique en chef chez Victrex, a pu nous fournir une explication de ce qui donne aux plastiques PAEK leurs propriétés physiques uniques au niveau moléculaire.

«Il ne s’agit pas tant des atomes eux-mêmes, qui sont principalement du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène, mais de la structure moléculaire que ces atomes forment. Les structures moléculaires des PolyArylEtherKetones comprennent les éléments de base suivants:

«Les groupes aryle et cétone sont assez rigides et fournissent une rigidité qui signifie une résistance élevée combinée à une résistance à la chaleur. Les groupes éther offrent un certain degré de flexibilité, pour une bonne ténacité, et comme les groupes aryle et cétone ne sont pas réactifs, les trois éléments constitutifs offrent une résistance aux attaques chimiques », a déclaré Grasmeder.

Le nombre et la disposition de l’éther et des cétones dans les chaînes polymères des plastiques PAEK (PAEK vs PEEK vs PEKK, etc.) déterminent les températures de transition vitreuse et le point de fusion du plastique, ainsi que sa résistance à la chaleur et sa température de traitement. Plus le rapport des cétones à l’éther est élevé, plus il est rigide, augmentant ainsi la température de transition vitreuse et le point de fusion.

En particulier, le PAEK a une température de fonctionnement continu de 250 ° C (482 ° F) et peut même manipuler des charges pendant une courte période à des températures allant jusqu’à 350 ° C (662 ° F). Lorsqu’il est brûlé, PAEK dégage une faible quantité de chaleur et ses fumées sont les moins toxiques et corrosives. PAEK a également une bonne résistance chimique. Le matériau ne casse pas lors d’un essai de choc Izod sans entaille, a une résistance à la traction de 85 MPa (12 300 psi), un module de Young de 4 100 MPa (590 000 psi) et des limites d’élasticité de 104 MPa (15 100 psi) à 23 ° C (73 ° F) et 37 MPa (5400 psi) à 160 ° C (320 ° F).

Alors que le PEKK possède toutes les mêmes propriétés que le PAEK mentionné ci-dessus, le PEKK peut présenter une plus grande résistance à la compression que le PEEK et a également des paramètres de traitement beaucoup plus larges que le PEEK. Il peut être imprimé à une température inférieure à celle du PEEK avec une meilleure adhérence des couches.

Cette combinaison de rigidité et de flexibilité place les plastiques PAEK dans la catégorie semi-cristalline des thermoplastiques. Grasmeder a expliqué comment ces caractéristiques se manifestent en termes de performances physiques. «La présence d’un degré de cristallinité important garantit que les polymères sont plus résistants au frottement, à l’usure, à la chaleur, au fluage (déformation à long terme sous température et charge), à ​​la fatigue (application répétée d’une contrainte cyclique) et aux produits chimiques. Sans cristallinité, ces propriétés seraient gravement compromises », a déclaré Grasmeder.

Alors que les polymères PAEK sont semi-cristallins, PEI est amorphe, ce qui signifie que les chaînes polymères sont aléatoires – elles n’ont pas d’ordre ou d’arrangement particulier. À son tour, le PEI est moins cher, a une résistance aux chocs plus faible et une température utilisable inférieure.

Bien que les PAEK puissent être traités en utilisant à peu près n’importe quelle technologie de fabrication, ils présentent un problème particulier pour l’impression 3D, auquel tous les polymères sont confrontés: la liaison intercouche. En raison de la faiblesse des liaisons entre les couches dans les objets imprimés, l’axe Z de ces pièces n’a pas la même force présentée dans les axes X et Y. À son tour, le PEEK utilisé pour le moulage par injection ne peut pas simplement être pris et utilisé pour la fabrication de filaments fondus (FFF).

Pour cette raison, Victrex a récemment publié un filament à base de PAEK, VICTREX AM 200, qui est censé être «optimisé spécifiquement pour la FA». Grasmeder affirme qu’il vise à «remédier à cette faiblesse de l’impression 3D PEEK». Pendant un certain temps avant le matériau FFF, Victrex était déjà bien connu pour son développement de PAEK pour une utilisation dans le frittage laser. Plus précisément, les PAEK en poudre étaient censés avoir une stabilité thermique améliorée pour le recyclage de la poudre non frittée, pour réduire les coûts d’impression avec le matériau en garantissant une réutilisabilité élevée.

En raison des caractéristiques décrites, la famille de matériaux PAEK et le PEI deviennent des alternatives de plus en plus attrayantes aux pièces métalliques qui peuvent être potentiellement fabriquées à moindre coût. Cela s’explique en partie par la troisième génération de systèmes FFF qui, après l’expiration de certains brevets Stratasys, incorporent des chambres de fabrication chauffées et des têtes d’impression haute température nécessaires à l’impression 3D des plastiques PAEK et PEI. En particulier, les fabricants de PAEK ciblent les intérieurs d’avions et certains composants structurels, tels que les supports, pour un poids léger.

Comme nous l’avons noté, les sociétés chimiques cherchent de plus en plus à tirer parti du passage des combustibles fossiles aux énergies renouvelables dans les infrastructures mondiales, les sociétés pétrolières cherchant à déplacer leurs sources de revenus vers les plastiques dérivés du pétrole. Cependant, d’un point de vue écologique, cela ne répond pas aux problèmes écologiques liés à l’extraction des ingrédients de ces matériaux ou au cycle de vie de ces matériaux. Par conséquent, il est important de considérer les possibilités d’alternatives aux biopolymères.

Grasmeder a déclaré que, bien qu’il n’y ait pas encore d’équivalents biopolymères aux PAEK, ils pourraient exister à l’avenir.

«À ma connaissance, il n’existe actuellement aucun PAEK disponible dans le commerce qui soit entièrement basé sur des sources renouvelables, mais les PAEK ont leurs propres références durables sous la forme d’un potentiel d’allègement et de recyclabilité dans les applications», a expliqué Grasmeder. «En passant, les molécules utilisées pour fabriquer le PAEK mentionnées ci-dessus sont finalement fabriquées à partir de blocs de construction chimiques de base, tels que le benzène et le toluène. Il existe déjà des itinéraires biosourcés vers ces éléments de base en cours d’élaboration et de mise à l’échelle. Il est raisonnable de supposer qu’avec l’expansion de l’industrie chimique biosourcée, les matières premières biosourcées dont nous avons besoin pour fabriquer du PAEK biosourcé pourraient devenir disponibles dans le futur.

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