Desenvolvimento de blendas poliméricas com fase parcialmente solúvel em álcool: um estudo sobre a produção de misturas entre PVB e termoplásticos para impressão 3D FFF

Abstract

A Manufatura Aditiva por Extrusão de Materiais, principalmente quando falamos sobre Fabricação por Filamento Fundido (FFF) tem se consolidado como uma ferramenta transformadora em múltiplos setores, impulsionada por sua versatilidade e capacidade de personalização de geometrias complexas. O avanço contínuo desta tecnologia está intrinsicamente ligado ao desenvolvimento de novos materiais que atendam a demandas estruturais e funcionais específicas. Uma dessas demandas emergentes é a criação de peças com porosidade customizada. Para atingir esse objetivo, uma solução tecnológica promissora é o desenvolvimento de blendas poliméricas contendo uma fase parcialmente solúvel. Essa abordagem permite a fabricação de arquiteturas porosas controladas, sendo ideal para aplicações avançadas, como engenharia de tecidos e membranas de separação. Partindo dessa premissa, este estudo tem como objetivo geral produzir blendas imiscíveis contendo termoplásticos comerciais com o polivinil butiral (PVB), atuando como fase solúvel para a extração com solvente apropriado. A pesquisa foi estruturada em três fases principais. Inicialmente, foram preparadas blendas binárias via processamento no estado fundido, mantendo uma proporção fixa de 60% de matriz termoplástica (PMMA, PETG, Pebax, TPU e PP) e 40% de PVB. Em seguida, os corpos de prova moldados foram submetidos à extração da fase de sacrifício por imersão em álcool etílico durante 21 dias, permitindo o monitoramento. Efeitos como a perda de massa, o perfil de inchamento e a difusão do solvente são analisados durante todo o processo de extração. Na segunda etapa, foi conduzida uma ampla caracterização morfológica, térmica, química e termomecânica das formulações, antes e após o ataque químico, por meio de técnicas como MEV, FTIR e DMA. Os ensaios revelaram comportamentos heterogêneos entre os polímeros: as misturas de PMMA/PVB e PETG/PVB destacaram-se por atingir uma morfologia co-contínua. Após a lixiviação, esses sistemas apresentaram uma topografia marcada por cavidades irregulares e porosidade interconectada. Na terceira e última etapa, realizou-se uma avaliação teórica da printabilidade das blendas, focando no potencial de aplicação da tecnologia de Fabricação por Filamento Fundido (FFF). A análise levou em conta o comportamento reológico, térmico, janelas de processamento e estabilidade dimensional. Concluiu-se que as formulações que obtiveram sucesso na estabilização da morfologia co-contínua reúnem as propriedades físicas e reológicas necessárias para a futura produção de filamentos padronizados voltados à manufatura de meios porosos.

Material Extrusion 3D printing, especially when talking about Fused Filament Fabrication, has established itself as a transformative tool across multiple sectors, driven by its versatility and ability to customize complex geometries. The continuous advancement of this technology is intrinsically linked to the development of new materials that meet specific structural and functional demands. The exploration of open-material platforms allows for the formulation of innovative polymeric systems capable of overcoming the limitations of conventional resins. A promising technological trend is the design of partially soluble polymer blends, which focuses on the fabrication of porous architectures applicable in high-value areas such as tissue engineering and separation membranes. Based on this premise, this study sought to circumvent the thermomechanical restrictions of traditional thermoplastics by combining polymer matrices with polyvinyl butyral (PVB) acting as a sacrificial phase. This strategy combines the macrogeometrical precision of additive manufacturing with the generation of porous microstructures via chemical leaching. The research was structured into three main phases. Initially, binary blends were prepared via melt processing, maintaining a fixed ratio of 60% thermoplastic matrix (PMMA, PETG, Pebax, TPU, and PP) and 40% PVB. Subsequently, the molded specimens were subjected to sacrificial phase extraction by immersion in ethyl alcohol for 21 days. The applied technic, allowed for the monitoring of mass loss, swelling profile, and solvent diffusion. In the second stage, a comprehensive morphological, thermal, chemical, and thermomechanical characterization of the formulations was conducted, both before and after chemical etching, using techniques such as SEM, FTIR and DMA. The tests revealed heterogeneous behaviors among the polymers: the PMMA/PVB and PETG/PVB blends stood out for achieving an ideal co-continuous morphology. After leaching, these systems exhibited a topography marked by irregular cavities and interconnected porosity. In the third and final stage, a theoretical evaluation of the blends' printability was performed, focusing on their potential application in FFF technology. The analysis considered rheological behavior, thermal properties, processing windows, and dimensional stability. It was concluded that the formulations that successfully stabilized the co-continuous morphology possess the physical and rheological properties necessary for the future production of standardized filaments for the manufacture of porous media.