Come funziona il nuovo materiale ritardante di fiamma nelle Stampanti 3D

Quando si parla di materiali polimerici ritardanti di fiamma (flame retardant o FR), si intendono tutti quei materiali la cui composizione chimica è tale da garantire determinate proprietà a vantaggio di alcune ed a scapito di altre. In quest’articolo verranno trattate tali peculiarità e verrà analizzato l’Onyx FR, materiale ritardante di fiamma delle stampanti 3D Markforged, che tanto sta rivoluzionando il mondo della stampa 3D in ambito di materiali FR.

I polimeri e la loro predisposizione alla combustione

I materiali polimerici tendono a bruciare in presenza di una fiamma. Tuttavia, alcuni di questi bruciano con più facilità e più velocemente (ad esempio, Polietilene e Polipropilene) rispetto ad altri (PTFE, ovvero il teflon).

A cosa è dovuto questo problema? Esiste un parametro, il LOI (Limit Oxygen Index), che indica la quantità minima di ossigeno che deve essere presente per sostenere la combustione di un dato materiale. Visto che nell’atmosfera la concentrazione di ossigeno è pari a circa il 20%, valori di LOI maggiori di 20 contraddistinguono materiali che tendono a spegnere la combustione autonomamente, mentre valori inferiori indicano che c’è abbastanza ossigeno nell’aria per sostenere la combustione di quel materiale.

Come regola generale, tranne alcune eccezioni, si può affermare che la presenza di ossigeno e di altri eteroatomi nella catena polimerica tende ad aumentare i valori questo parametro. Per avere un’idea, viene riportata, in Figura 1, una tabella con alcuni polimeri ed il relativo LOI.

Come funziona un additivo FR

Prima di elencare i vari meccanismi che rendono un materiale ritardante di fiamma, è bene ricordare che la combustione può avvenire in diversi modi: in fase condensata (nel solido) ed in fase vapore. La reazione produce calore e radiazioni elettromagnetiche, tant’è che a volte la fiamma non è nemmeno presente.

La combustione è quindi una reazione chimica esotermica (cioè che rilascia calore).

I meccanismi FR sono i seguenti:

• Sviluppo di calore, senza principio di incendio. Si basa su additivi che riescono a raffreddare il materiale e a diluire i gas combustibili. Questo metodo, però, compromette le proprietà meccaniche;
• Gas Phase, che consiste nel catturare tutti quegli elementi che favorirebbero la continuazione della combustione. Questo metodo intacca di pochissimo le proprietà meccaniche del materiale plastico che si sta lavorando;
• Metodo Char. In buona sostanza, nel momento in cui il materiale viene sottoposto ad un principio di incendio, si crea una “crosta” carboniosa che interrompe la combustione. Per quanto tale metodo sia efficace, la composizione chimica necessaria per attuarlo rende il materiale poco versatile e con proprietà meccaniche molto basse;
• Meccanismo a intumescenza. Molto simile al precedente, questo metodo FR consente la possibilità di formare, in presenza di fiamma, una “schiuma” carboniosa protettiva. Il materiale così formato diventa, però, igroscopico e ne vengono compromesse le proprietà meccaniche alla base;
• Meccanismo di dripping. Si tratta di un metodo particolare, il cui effetto varia da materiale a materiale. Ad esempio, in alcuni casi la composizione chimica di un polimero FR formato con dripping fa si che il materiale, in presenza di fiamma, tenda a diminuire la lunghezza delle sue catene polimeriche, creando un effetto “gocciolamento” del materiale e non una fiamma. Tuttavia, i materiali così trattati hanno una scarsa stabilità termica.

Onyx FR, un grande successo per Markforged

L’Onyx FR, disponibile per le stampanti della linea Industrial, è un ritardante di fiamma delle stampanti 3D Markforged che riesce a mantenere le caratteristiche meccaniche e di lavorabilità praticamente identiche a quelle dell’Onyx classico. Ciò costituisce un grande successo per Markforged visto che, come analizzato sopra, è molto difficile ottenere un buon compromesso tra le proprietà fisiche, meccaniche e l’autoestinguenza della fiamma.

È chiaro che l’Onyx FR costituisca la migliore scelta per tutte quelle applicazioni che richiedono proprietà di alta resistenza, basso peso e ritardanti di fiamma. I settori dell’Aereospace, dell’Automotive e dell’Elettronica sono solo alcuni dei possibili campi applicativi dell’ennesimo successo di Markforged in termini di materiali altamente performanti.