Filament PETG-Politereftalan etylenu modyfikowany glikolem.

Glikol politereftalanu etylenu (PETG) jest wszechstronnym tworzywem sztucznym o właściwościach często lepszych niż mają porównywalne materiały stosowane do produkcji filamentów do druku 3D. Wraz z rosnącym zainteresowaniem drukiem 3D, PETG znajduje coraz więcej zastosowań.

Przyszłość polimeru PETG rysuje się w jasnych barwach, ponieważ globalny rynek tego tworzywa stale się rozwija. Należy mieć na uwadze fakt istnienia konieczności zapewnienia recyklingu zużytych materiałów wytworzonych z PETG.

Filament PET Politereftalan etylenu.

Politereftalan etylenu (PET lub PETE), to mocne, sztywne włókno syntetyczne, członek rodziny polimerów poliestrowych. PET jest przędziony na włókna przeznaczone do tkanin do trwałego prasowania i formowany z rozdmuchem w jednorazowe butelki po napojach. PET wytwarzany jest w procesie polimeryzacji glikolu etylenowego i kwasu tereftalowego. Glikol etylenowy jest bezbarwną cieczą otrzymywaną z etylenu, a kwas tereftalowy jest krystaliczną substancją stałą otrzymywaną z ksylenu. Po podgrzaniu razem pod wpływem katalizatorów chemicznych, glikol etylenowy i kwas tereftalowy wytwarza PET w postaci stopionej, lepkiej masy, którą można przędz bezpośrednio na włókna lub zestalać w celu późniejszego przetworzenia jako tworzywo sztuczne.

Pod względem chemicznym glikol etylenowy to diol, alkohol o strukturze molekularnej, który zawiera dwie grupy hydroksylowe (OH), a kwas tereftalowy to aromatyczny kwas dikarboksylowy, kwas o strukturze molekularnej, który zawiera duży sześcioboczny węgiel (lub aromatyczny) i dwie grupy karboksylowe (CO₂H). Pod wpływem ciepła i katalizatorów grupy hydroksylowe i karboksylowe reagują, tworząc grupy estrowe (CO-O), które służą jako wiązania chemiczne łączące wiele jednostek PET w długołańcuchowe polimery. Jako produkt uboczny powstaje także woda.

Struktura molekularna polimeru PET.

Obecność dużego pierścienia aromatycznego w powtarzalnych jednostkach PET nadaje polimerowi znaczną sztywność i wytrzymałość, zwłaszcza gdy łańcuchy polimeru są ułożone względem siebie w uporządkowany sposób poprzez rozciąganie. Sztywność włókien PET sprawiają, że są one bardzo odporne na odkształcenia, dzięki czemu nadają tkaninom doskonałą odporność na marszczenie. Często stosuje się je w trwałych mieszankach do prasowania z innymi włóknami, takimi jak sztuczny jedwab, wełna i bawełna, wzmacniając nieodłączne właściwości tych włókien, jednocześnie przyczyniając się do zdolności tkaniny do regeneracji po marszczeniu. PET jest również przetwarzany na wypełnienie włókniste do odzieży izolowanej oraz do mebli i poduszek. Bardzo cienkie włókna, stosuje się w sztucznym jedwabiu, a w przypadku włókien o dużej średnicy stosuje się włókna w dywanach. Do zastosowań przemysłowych PET należą: przędza do opon samochodowych, pasy przenośnikowe i pasy napędowe, wzmocnienia węży strażackich i ogrodowych, pasy bezpieczeństwa (zastosowanie, w którym w dużej mierze zastąpił nylon), włókniny do stabilizacji rowów melioracyjnych, przepustów i linii kolejowych łóżka i włókniny do użytku jako warstwy wierzchnie pieluszek i jednorazowa odzież medyczna. PET jest najważniejszym z włókien syntetycznych pod względem masy i wartości.

Przy nieco wyższej masie cząsteczkowej PET przekształca się w tworzywo sztuczne o wysokiej wytrzymałości, które można kształtować wszystkimi typowymi metodami stosowanymi w przypadku innych tworzyw termoplastycznych. Folie PET produkowane są metodą wytłaczania. Roztopiony PET można formować rozdmuchowo w przezroczyste pojemniki o dużej wytrzymałości i sztywności, które są praktycznie nieprzepuszczalne dla gazów i cieczy. W tej postaci PET znalazł szerokie zastosowanie w butelkach do napojów gazowanych oraz w słoikach do żywności przetwarzanej w niskich temperaturach. Niska temperatura mięknienia PET wynosząca około 70°C uniemożliwia jego używanie jako pojemnika na gorące potrawy.

PET został po raz pierwszy przygotowany w Anglii przez J. Rexa Whinfielda i Jamesa T. Dicksona ze stowarzyszenia Calico Printers Association podczas badań nad kwasem ftalowym rozpoczętych w 1940 r. Ze względu na ograniczenia wojenne specyfikacje patentowe nowego materiału nie zostały natychmiast opublikowane. Produkcja włókna PET marki Imperial Chemical przez firmę Imperial Chemical rozpoczęła się dopiero w 1954 r. W międzyczasie do 1945 r. firma DuPont niezależnie opracowała praktyczny proces przygotowania z kwasu tereftalowego, a w 1953 r. firma rozpoczęła produkcję włókna dakronowego. Wkrótce PET stał się najpowszechniej produkowanym włóknem syntetycznym na świecie. W latach 70. XX wieku opracowano ulepszone procedury formowania przez rozciąganie, które umożliwiły wytwarzanie z PET trwałych, krystalicznie czystych butelek na napoje, zastosowanie, które wkrótce stało się drugim co do znaczenia po produkcji włókien.

Podstawowe właściwości polimeru PET.

Gęstość 1,3-1,4 g/cm3 Absorpcja wody mniejsza niż 0,7%.
Górna temperatura pracy 115-170⁰C
Temperatura topnienia 260⁰C
Moduł sprężystości przy rozciąganiu 2-4 GPa.

Plusy i minusy tworzywa PET.

Pomimo wielu zastosowań PET oraz jego popularności, istnieją ograniczenia co do możliwości jego zastosowania. Poniżej zalety i ograniczenia w pracy z tworzywem PET.

Plusy.

• Tworzywo PET jest najczęściej używanym tworzywem sztucznym, jest również najczęściej poddawany recyklingowi.
• Polimery PET są łatwo dostępne i nie są drogie.
• PET posiada wysoki stosunek wytrzymałości do masy.
• PET jest wysoce przezroczysty i nietłukący.

Minusy

• Relatywnie niska odporność na ciepło.
• Żywice PET są podatne na utlenianie.
• Polimer PET jest częściowo pozyskiwany z ropy naftowej.
• Nie ulega biodegradacji.

Zastosowania praktyczne polimeru PET.

Oprócz pojemników na żywność i napoje, PET jest znanym i znanym materiałem używanym do tworzenia odzieży, mebli, tekstyliów i innych materiałów w postaci poliestru. Słynie z trwałości i odporności na wiele substancji chemicznych, dobrze zachowuje swój kształt i jest łatwy w pielęgnacji. Oprócz zastosowania w materiałach eksploatacyjnych i urządzeniach do noszenia, politereftalan etylenu jest używany w przemyśle muzycznym i morskim oraz jako tkaniny na przenośniki taśmowe i powlekanie tkanin. Najczęstszym zastosowaniem PET jest formowanie wtryskowe. Formowanie wtryskowe to proces produkcyjny polegający na wytwarzaniu różnych części poprzez wtryskiwanie stopionego materiału do formy i szybkie jego schładzanie. Gdy stopiony PET zostanie wstrzyknięty do form wstępnych, można je następnie formować z rozdmuchiwaniem, aby po schłodzeniu uzyskać pożądany kształt.

Dzięki doskonałym właściwościom elektroizolacyjnym tworzywo PET jest szeroko stosowane w przemyśle elektrycznym i elektronicznym. PET zastąpił odlewane ciśnieniowo metale i duroplasty w obudowach elektrycznych, skrzynkach przyłączeniowych i inteligentnych licznikach, by wymienić tylko kilka. Biorąc pod uwagę jego zakres temperatur i lekkość, tworzywo PET jest wytrzymałe mechanicznie; Z tego powodu, obok swobody projektowania i innych zalet, stał się popularnym materiałem dla przemysłu motoryzacyjnego. Jego wysoka odporność na ścieranie i promieniowanie UV, wysoka sztywność i niski koszt sprawiają, że PET jest bardzo atrakcyjny do stosowania w całym samochodzie.

Pasy bezpieczeństwa i pokrowce na siedzenia wymagają wysokiej odporności na ścieranie i promieniowanie UV, aby zapewnić bezpieczeństwo i komfort podczas jazdy. Dzięki wysokiej odporności na ścieranie i trwałości poliester jest stosowany w dywanach samochodowych. Czynniki te są również powodem, dla którego poliester ten jest powszechnie stosowanym materiałem w przemyśle modowym, tekstylnym i wyposażenia wnętrz. Włókno poliestrowe świetnie sprawdza się jako materiał izolacyjny w poduszkach, kołdrach i wyściółkach tapicerskich. Wysoka odporność na plamy i rozdarcia sprawia, że jest to atrakcyjny materiał na odzież, z dodatkowymi ofertami w postaci mniejszej liczby zagnieceń i kurczliwości (w porównaniu z bawełną).

Jak można zastosować PET w druku 3D?

Wcześniej wymieniliśmy niektóre właściwości PET, ale niektóre właściwości i zmienne będą bardziej interesujące, gdy chcesz wytłaczać i tworzyć filament PET. Oprócz wymienionych wcześniej właściwości fizycznych i mechanicznych, fundamentalne znaczenie mają tutaj właściwości termiczne i przetwórcze. Ważnym przypomnieniem jest jednak to, że właściwości przetwarzania mogą się różnić w zależności od producenta PET. Dlatego sugerujemy postępowanie zgodnie z podanymi przez nich wskazówkami i świadomość, że w zależności od sprzętu, którego używasz do wytłaczania filamentu, może być konieczne dostosowanie różnych zmiennych, ponieważ ustawienia, których używasz na jednej wytłaczarce, mogą nie działać tak samo na innej. W praktyce ustawienia zalecane przez producenta należy dostosować do konkretnego zadania przetwórczego i w razie konieczności zmieniać na bieżąco.

Podstawowe właściwości termiczne polimeru PET.

• Górna temperatura pracy: 115-170 ⁰C
• Dolna temperatura pracy: (-40) -(-60) ⁰C
• Temperatura topnienia: 260 ⁰C
• Temperatura suszenia: 120 ⁰C
• Temperatura wytłaczania: 270-290 ⁰C.

PET jest stosunkowo rzadko stosowanym filamentem w druku 3D. Zasoby dotyczące właściwości PET i ustawień drukowania są nieliczne i sprzeczne. Obróbka PET może być trudna ze względu na dużą szybkość krystalizacji i ograniczoną odporność cieplną charakteryzującą się niskim punktem zeszklenia.

Polimer PETG (Politereftalan etylenu modyfikowany glikolem) i jego zastosowanie jako filamentu do druku 3D.

Poli(tereftalan glikolu etylenowego-ko-cykloheksano-1,4-dimetanolu) (PETG) to amorficzny kopoliester, syntetyzowany w wyniku polikondensacji 1,4-cykloheksanodimetanolu (CHDM), glikolu etylenowego (EG) i kwasu tereftalowego (TPA) w określonych proporcjach. Glikol politereftalanu etylenu, znany jako PETG lub PET-G, jest termoplastycznym poliestrem, który zapewnia znaczną odporność chemiczną, trwałość i odkształcalność podczas przetwarzania. PETG to adaptacja PET (politereftalanu etylenu), gdzie litera G oznacza glikol, który jest dodawany na poziomie molekularnym, aby zapewnić inne właściwości chemiczne i fizyczne. PET i PETG wykorzystuje te same monomery podstawowe. Polimer PETG jest modyfikowany glikolem. PETG ma większą wytrzymałość i trwałość, a także jest bardziej odporny na uderzenia i lepiej przystosowany do wyższych temperatur.

Właściwości termiczne i mechaniczne PET można poprawić poprzez modyfikacje fizyczne i chemiczne: (1) mieszanie z innymi polimerami oraz (2) kopolimeryzację. W pierwszym przypadku mieszanie PET z innymi poliestrami np. politereftalanem trimetylenu, naftalanem polietylenu czy poliwęglanem bisfenolu A nie jest procesem całkowicie fizycznym, gdyż ich jednostki monomeryczne ulegają wymianie pomiędzy makrocząsteczkami. Tego typu interakcja znana jest również jako transestryfikacja lub wymiana ester-ester, a powstałe produkty to raczej kopoliestry niż mieszanki. Kopolimeryzacja jest powszechnie stosowaną metodą modyfikacji PET. Ogólnie rzecz biorąc, dostępny w handlu PET stanowi kopoliester, w którym kwas tereftalowy jest częściowo zastąpiony kwasem izoftalowym. Zmniejsza to szybkość krystalizacji, stopień krystaliczności i temperaturę topnienia. Kopoliester zawierający około 35% molowych 1,4-cykloheksanodimetanolu zamiast glikolu etylenowego jest dostępny w handlu jako PETG. Główne cechy PETG to bardzo niski stopień krystaliczności i zmniejszona absorpcja wilgoci, dzięki czemu można go przetwarzać bez wstępnego suszenia.

PETG ma doskonałe właściwości, takie jak wysoka ciągliwość, wysoka odporność chemiczna, przetwarzalność i możliwość recyklingu. PETG ze względu na swoją wszechstronność znalazł szerokie zastosowanie w opakowaniach. W ostatnich latach PETG stał się również materiałem z wyboru do druku 3D. Ze względu na niskie temperatury formowania tworzywa PETG można go łatwo formować próżniowo i pod ciśnieniem lub zginać na gorąco, co czyni go popularnym w różnych zastosowaniach konsumenckich i komercyjnych. Te właściwości sprawiają również, że jest to jeden z szerzej stosowanych materiałów na filament do druku 3D i innych procesów termoformowania. PETG doskonale nadaje się również do takich technik, jak gięcie, sztancowanie i frezowanie.

Podstawowe informacje o filamentach PETG.

Filament PETG to jeden z najłatwiejszych do drukowania materiałów, jest niedrogi i odpowiedni dla początkujących i zaawansowanych użytkowników drukarek 3D. Stosunkowo wysoka wytrzymałość na rozciąganie i odporność na temperaturę sprawiają, że nadaje się do drukowania części technicznych. PETG (politereftalan etylenu modyfikowany glikolem) to powszechnie stosowany materiał techniczny, popularny wśród użytkowników drukarek 3D ze względu na niską cenę i dobrą drukowność. Jest trwały i ma dobrą odporność na temperaturę. PETG jest najczęściej używany do drukowania różnych części mechanicznych, uchwytów, zacisków i części wodoodpornych co jest możliwe dzięki dużej przyczepności kolejnych warstw drukowanej części 3D.

PETG ma ładną błyszczącą powierzchnię, doskonale przylega do arkusza wydruku, ma niewielki skurcz termiczny i dlatego nie wypacza się dzięki temu nadaje się do drukowania dużych modeli. Ponadto jego wysoka wytrzymałość na rozciąganie i elastyczność często zapobiegają jego pękaniu. Ze względu na dobrą odporność na temperaturę części PETG nadają się zarówno do użytku wewnętrznego, jak i większości zastosowań zewnętrznych w temperaturach poniżej 80°C.

Polimer PETG sam w sobie można uznać za bezpieczny dla żywności, jednak każdy wydruk 3D składa się z warstw, pomiędzy którymi z czasem mogą rozwijać się bakterie. Można temu zapobiec, stosując powłoki bezpieczne dla żywności. Jeśli zamierzonym zastosowaniem jest żywność, należy użyć dyszy drukarki ze stali nierdzewnej. Choć PETG jest często stosowany w przemyśle spożywczym i uważany jest za bezpieczny dla żywności, to nie jest polecamy do drukowania naczyń lub innych przedmiotów mających bezpośredni kontakt z żywnością. Niektórzy producenci wzbogacają PETG różnymi dodatkami i sprzedają te materiały pod różnymi nazwami. Celem jest uzyskanie lepszych walorów wizualnych, użytkowych, przyczepności powierzchni i warstw itp.

Rys.1 Filament PETG marki Devil Design oraz Kompozytowy filament PETG z dodatkiem grafenu marki AGP.

Rys.2 Filament PETG błękitny oraz naturalny marki Nebula.

Podstawowe właściwości filamentów PETG.

Plusy filamentu PETG.

• Łatwe drukowanie 3D.
• Dobra przyczepność drukowanych warstw pomiędzy sobą.
• Wytrzymały mechanicznie i trwały w czasie.
• Niskie wypaczenie na skutek niewielkiej rozszerzalności termicznej
• Relatywnie odporny na wysoką temperaturę.
• Odporny na wodę i wilgoć.

Minusy filamentu PETG.

• Podpory są trudne do usunięcia
• Możliwość tworzenia cienkich nitek.
• Mocno wiąże się z powierzchnią druku.
• Ograniczona możliwość drukowania szczegółowych części
• Słabo tworzy mostki i nawisy.

Wskazówki dotyczące udanego drukowania filamentem PETG.

W przeciwieństwie do PLA, PETG wymaga podgrzewanego stołu (85°C). Jego zachowanie podczas mostkowania i zwisania jest zwykle gorsze, a ponadto jest podatny na zaciąganie. Naciąganie można łagodzić większymi cofnięciami i niższą temperaturą dyszy. Ważne jest, aby schłodzić wydruk PETG pomaga to zachować szczegółowość modelu i zapobiega zaciąganiu nitek i wyciekaniu. PETG można łatwo szlifować zarówno na sucho, jak i na mokro. Rozpuszczanie i wygładzanie PETG jest możliwe wyłącznie w laboratorium przez wykwalifikowanych pracowników laboratoryjnych przy użyciu niebezpiecznych środków chemicznych (dichlorometan).

Jak wypada PETG w porównaniu z innymi popularnymi włóknami do druku 3D?

Filament PETG ma wiele zalet w porównaniu z PLA (kwasem polimlekowym) i innymi pokrewnymi materiałami. PLA jest łatwo dostępny, niedrogi i prosty w obróbce, ale jest również mniej trwały, wrażliwy na wilgoć, łatwo ulega degradacji. Prototypy, modele wystawowe i mocowania tymczasowe to typowe zastosowania PLA, podczas gdy PETG częściej znajduje zastosowania przemysłowe. PETG ma o wiele więcej zastosowań w przemyśle niż PLA (kwas polimlekowy). ABS jest znany z wydzielania zapachu podczas druku 3D i zwiększonej podatności na wypaczenia termiczne.

Porównując PETG z PMMA, należy pamiętać, że chociaż oba materiały są przezroczyste, PMMA (polimetakrylan metylu) lub akryl jest bardziej kruchy i ma mniejszą odporność na uderzenia niż PETG. Akryl jest zwykle stosowany w środowiskach morskich, zastosowaniach optycznych i na lodowiskach. W ten sam sposób, w jaki PETG jest używany w komercyjnych stojakach wystawowych.

Porównując PETG z poliwęglanem (PC), należy docenić wyjątkową udarność poliwęglanu, który jest wykorzystywany do produkcji szkła kuloodpornego i ma przezroczysty wygląd. Poliwęglan na jednak wysoką cenę. Drukowanie filamentem PC wymaga ekstremalnie wysokich temperatur.

Uważa się, że filament PETG ma przewagę zarówno nad PLA, jak i ABS. Łączy w sobie właściwości polimeru PLA z wytrzymałością polimeru ABS. Procedura drukowania za pomocą PETG nie powoduje również powstawania nieprzyjemnych zapachów chemicznych. Polimer PETG ma niski współczynnik skurczu, jest odporny na wodę i chemikalia oraz zapewnia dobrą przyczepność warstw i przyczepność do podłoża stałego.

Jak wypada PETG w porównaniu z PET?

PET i PETG to dwa rodzaje termoplastycznych poliestrów, które mają wiele wspólnych zastosowań, takich jak opakowania, pojemniki na żywność, druk 3D i arkusze plastikowe. Jednak PETG różni się od PET tym, że zawiera dodatkowy monomer - glikol, który zmienia jego właściwości chemiczne i fizyczne. Oto niektóre z głównych różnic między PET i PETG:

• PETG jest bardziej elastyczny niż PET. Dodatek glikolu w PETG sprawia, że jest on mniej kruchy i miększy niż PET. Dlatego PET jest idealny do zastosowań wymagających sztywności i wysokiej wytrzymałości. Z kolei PETG jest idealny do trwałych i elastycznych zastosowań12.
• PETG ma lepszą odporność chemiczną niż PET. PETG jest bardziej odporny na działanie kwasów, alkoholi, aldehydów i amin niż PET. PETG jest również mniej podatny na pęcznienie lub zmiękczanie pod wpływem czynników chemicznych. PETG jest również bezwonny i bezpieczny dla kontaktu z żywnością31.
• PETG jest łatwiejszy w formowaniu i barwieniu niż PET. PETG ma niższą temperaturę topnienia i krystalizacji niż PET, co ułatwia jego wytłaczanie i formowanie. PETG można również łatwo kolorować i mieszać, aby uzyskać różne wyglądy. PETG jest również bardziej przejrzysty niż PET.
• PETG jest w pełni poddający się recyklingowi, podobnie jak PET. Zarówno PET, jak i PETG są przyjazne dla środowiska, ponieważ mogą być wielokrotnie przetwarzane i ponownie wykorzystywane. PETG jest również odporny na promieniowanie UV, co sprawia, że nadaje się do zastosowań zewnętrznych12.
• Podsumowując, PET i PETG to dwa podobne, ale nie identyczne materiały plastikowe. PETG ma pewne zalety nad PET, takie jak większa elastyczność, lepsza odporność chemiczna, łatwiejsze formowanie i barwienie, ale PET ma zalety, takie jak większa sztywność i wytrzymałość. Wybór między PET i PETG zależy od konkretnego zastosowania i wymagań

W jaki sposób najczęściej można stosować filament PETG?

PETG jest często stosowany w opracowywaniu i produkcji opakowań do żywności i napojów jednak nie jest polecany do takich zastosowań jako wydruk 3D. Zastosowanie PETG nie ogranicza się jednak do przemysłu spożywczego. Jest w stanie przetrwać wysokie temperatury i ciśnienia panujące w szpitalu, a także standardowe techniki sterylizacji chemicznej i radiacyjnej. PETG jest również stosowany w protetyce i implantach ludzkiego ciała. Mechanicy i inżynierowie produkcji wykorzystują PETG do wytwarzania przedmiotów, w tym osłon ochronnych, komponentów testowych oraz narzędzi i pomocy produkcyjnych, ze względu na wysoką odporność materiału na ciepło i chemikalia.