Microscopia a scansione elettronica

È stata eseguita una microscopia a scansione elettronica al fine di valutare l’adesione tra gli additivi solidi e la matrice polimerica. Ne consegue che questo tipo di analisi non è stata condotta su tutti i sistemi. In particolare, si è proceduto in questo senso con Shogun Heat Resistant PLA, Kyotoflex Bioflex PLA ed Entwined Hemp-Filled PLA. Più nello specifico, è stata osservata come di consueto in questi casi, la superficie di frattura (avvenuta in azoto liquido) nella direzione trasversale rispetto alla crescita del provino (prodotto con tecnologia FDM) per avere un maggior numero di informazioni di carattere strutturale in seguito al raffreddamento. Dal punto di vista dell’apparato strumentale è stato impiegato il microscopio elettronico a scansione Zeiss Evo 15, mentre le immagini sono state ottenuta con l’ausilio del software SmartSEM.

In figura 3.26 sono riportate le superfici di frattura di Shogun heat resistan PLA, Kyotoflex Bioflex ed Entwined Hemp-Filled PLA acquisiste mediante SEM con un ingrandimento 64x.

Fig. 3.26: Micrografia della superifice di frattura di: a) Shogun Heat Resistant PLA, b) Kyotoflex Bioflex, c) Entwined Hemp Filled PLA

Bisogna prima di tutto fare una premessa che riguarda la stampa in sé. Le tre immagini infatti appaiono molto differenti tra di loro e ciò è dovuto al fatto che il raster angle

69 impiegato abbia portato ad avere una frattura dei campioni proprio lungo la direzione di infill, di qui l’elevata irregolarità della superficie di frattura ottenuta. Ad ogni modo è possibile fare delle prime considerazioni di carattere morfologico.

Si parta quindi dalla sezione a) dell’immagine 3.26 che riporta la superficie di frattura dello Shogun Heat Resistant PLA. Si rilevano in particolare zone di completa adesione tra i filamenti di materiale depositato ma tuttavia si nota anche la presenza una certa irregolarità nel pattern e la conseguente presenza di vuoti.

Per quanto riguarda il sistema Kyotoflex Bioflex nella sezione b) della medesima immagine si osserva una frattura irregolare su più piani.

L’ultima superficie di frattura illustrata è quella relativa al sistema Entwined Hemp-FIlled PLA che mostra una certa regolarità nel pattern. I filamenti depositati hanno forma ellittica con elevata eccentricità e l’air gap è inferiore ai 300 m.

Questo ad un livello introduttivo ma è importante andare più nello specifico per meglio apprezzare la morfologia di questi sistemi.

Si parta quindi dal sistema Shogun Heat Resistant PLA. In figura 3.27 sono riportate le dimensioni dei diametri dei beads di materiale depositato ottenute con ingrandimento 300x.

Il materiale in sé esibisce una freestanding height elevata e non mostra una deformazione consistente in direzione longitudinale. L’adesione intra ed inter layer è soddisfacente come si può osservare dal punto di congiunzione tra i diversi beads nell’immagine precedente.

Fig. 3.27: Micrografia SEM del sistema Shogun Heat Resistant PLA con un ingrandimento di 300x

In figura 3.28 viene riportata invece un’immagine ottenuta analizzando ed elaborando il segnale degli elettroni retrodiffusi con un ingrandimento 5000x. Sono chiaramente visibile dei corpuscoli di forma lamellare identificato come talco in seguito a spettroscopia. Si osserva inoltre la morfologia caratteristica assunta da questo additivo solido che si sviluppa

70 lungo la direzione di estrusione a causa dall’allineamento indotto dallo sforzo di taglio esercitato dal nozzle di estrusione a cui l’intero sistema è sottoposto.

Fig. 3.28: Micrografia SEM di Shogun Heat Resistant PLA ottenuta con ingrandimento di 5000x

Si passi ora alla valutazione del secondo sistema polimerico preso qui in esame ossia il Kyotoflex Bioflex PLA. In figura 3.29 è possibile innanzitutto osservare un ingrandimento a 300x dove si possono meglio apprezzare le dimensioni dei beads (aventi diametri tra i 250 e i 370 m). Anche in questo caso si hanno filamenti ellittici, con un’eccentricità leggermente superiore rispetto al caso precedente. L’adesione dei layer è generalmente buona tuttavia l’adesione intralayers mostra air gap maggiore rispetto a quella degli altri materiali presi in esame, nonostante i provini siano stati stampati con gli stessi parametri di stampa. Un’ipotesi piuttosto verosimile è che questo sistema non subisce elevata dilatazione in fase di deposizione da un lato e il recupero della forma avviene in tempi molto rapiti data la sua natura elastomerica.

Fig. 3.29: Micrografia SEM del sistema Kyotoflex Bioflex acquisita con ingrandimento 300x

71 Aumentato l’ingrandimento si ottiene l’immagine riportata in figura 3.30, acquisita con ingrandimento 20000x. Qui è possibile constatare la presenza della carica solida inorganica.

Si osserva un sistema che assimilabile a quanto visto per il caso precedente, ossia talco.

Inoltre, è possibile notare la presenza di una seconda fase sferoidale di dimensioni pari a circa 200 nm che mostra fenomeno di pull-out in seguito alla frattura. Si tratta delle tracce delle particelle di materiale elastomerico aggiunte alla formulazione.

Fig. 3.30: Micrografia SEM del sistema Kyotoflex Bioflex acquisista con ingrandimento 20000x

Infine, nell’ultima immagine presentata per questo sistema e acquisita con un ingrandimento pari a 10000x per quanto riguarda questo sistema e riportata in figura 3.31, si può osservare che il materiale è sottoposto ad una notevole deformazione. Infatti, in corrispondenza della fase gommosa si osserva un allungamento del materiale di circa 10 volte rispetto alle dimensioni iniziali. Un’ipotesi piuttosto attendibile è che la deformazione avvenga per un crazing iniziale della matrice di PLA. Le particelle gommose si comportano come centri di concentrazione degli sforzi e assorbono

energia della matrice di PLA portando al debonding all’interfaccia tra matrice e particella [60].

Fig. 3.31: Micrografia SEM del sistema Kyotoflex Bioflex acquisita con ingrandimento 10000x

72 Si arriva quindi alla descrizione dell’ultimo sistema che ci si è proposti di descrivere in questo paragrafo ossia Entwined Hemp-Filled PLA. In figura 3.32 è riportata una prima micrografia acquisita con ingrandimento 300x. Si può vedere che il sistema in cui l’eccentricità dei filamenti di materiale depositato è più accentuata in assoluto. Questo aspetto morfologico presenta un notevole aspetto positivo in quanto è caratteristico di una stampa uniforme garantendo una migliore adsione intra e inter layer in quanto offre una superficie di contatto maggiore.

Fig. 3.32: micrografia SEM del sistema Kyotoflex Bioflex acquisita con ingrandimento 300x

In figura 3.33 è invece riportata una micrografia acquisita con un ingrandimento di 10000x dove è possibile osservare la presenza della carica organica aggiunta.

Fig. 3.33: micrografia SEM del sistema Entwined Hemp-FIlled PLA acquisita con ingrandimento di 10000x