CRYSTALLIZATION OF BIODEGRADABLE THERMOPLASTIC POLYMER (PBS): APPLICATION FOR FUSED FILAMENT FABRICATION

Abstract

[EN] In recent years, the increasing environmental impact of conventional plastics has generated a growing awareness of the need to find more sustainable alternatives. In this context, biodegradable thermoplastic polymers have emerged as a promising solution to address this challenge (Kunioka, Ninomiya, and Funabashi 2009). These polymers offer similar properties to conventional plastics, but with the added advantage of being able to decompose naturally and safely in the environment. One of the biodegradable thermoplastic polymers that has received considerable attention in recent years is poly(butylene succinate) (PBS). PBS is a semi-crystalline aliphatic thermoplastic polyester (Candal et al. 2020), synthetized by polycondensation between succinic acid (SA) and butanediol (BDO), resulting in a polybutylene chain with succinic acid ester bonds (Jiang and Zhang 2017; Rafiqah et al. 2021). The importance of PBS lies in its ability to replace conventional plastics in applications where degradation is desirable or necessary, such as in single-use packaging, medical products, and agricultural applications. Furthermore, PBS offers suitable mechanical and thermal properties for manufacturing applications (Righetti et al. 2021). Additive manufacturing is a set of technologies that allow the construction of 3D objects sequentially in a process of adding layers of material (plastic, metal, plaster). Among these techniques we can find the Fused Filament Fabrication (FFF), which is an additive manufacturing process used to produce parts with a complex geometry by the layer deposition of melted thermoplastic filaments (Brenken et al. 2018; Thézé et al. 2022). The incorporation of biodegradable thermoplastic polymers, such as PBS, into the FFF process presents an exciting opportunity to enhance sustainability in additive manufacturing (Ahmadifar et al. 2021). While efforts have been made to optimize process parameters and address filament adhesion issues, the influence of crystallization on the internal structure and mechanical properties of 3D printed parts remains a critical area of study.

[ES] En las últimas décadas, el creciente impacto ambiental de los plásticos convencionales ha generado una creciente conciencia sobre la necesidad de encontrar alternativas más sostenibles. En este contexto, los polímeros termoplásticos biodegradables han surgido como una solución prometedora para abordar este desafío. Estos polímeros ofrecen propiedades similares a los plásticos convencionales, pero con la ventaja adicional de poder descomponerse de forma natural y segura en el medio ambiente. Uno de los polímeros termoplásticos biodegradables que ha recibido una atención considerable en los últimos años es el poli (succinato de butileno) (PBS). Debido a su propiedades como, excelente ductilidad, procesabilidad y punto de fusión relativamente bajo, uno de los campos en los que el PBS ha encontrado un uso prometedor es la fabricación aditiva, específicamente el proceso de Fabricación de Filamento Fundido (FFF, por sus siglas en inglés). Sin embargo, aunque se han realizado esfuerzos para optimizar los parámetros del proceso y abordar problemas relacionados con la adhesión del filamento, el impacto de la cristalización en la estructura interna y las propiedades mecánicas de las piezas impresas en 3D sigue siendo un área crítica de estudio. Por esta razón, se ha seleccionado el PBS como objeto de estudio en esta investigación. El objetivo es analizar la cristalización del PBS a diferentes temperaturas, estudiando la velocidad de crecimiento de los cristales en un rango de temperaturas y la cinética de cristalización mediante la ecuación de Avrami. Además, se examina la morfología esferulítica de los cristales. Para llevar a cabo este estudio, se utilizan diversas técnicas, como el microscopio óptico con luz polarizada (PLOM) con placa calefactora, la Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y el microscopio electrónico de barrido (MEB).