14 december 2023 (Nanowerk NieuwsAdditive manufacturing, algemeen bekend als 3D-printen, heeft een enorme belofte getoond als motor voor moderne productietransformatie. Door snel complexe objecten on-demand te printen heeft de technologie industrieën van de lucht- en ruimtevaart tot medische apparatuur ontwricht. Er is echter een dringende wegversperring die de duurzaamheid van een bredere acceptatie in zowel de consumenten- als de industriële sector in gevaar brengt: plastic afval. De meeste commercieel verkrijgbare materialen voor 3D-printen vandaag de dag, van goedkope PLA-kunststoffen tot hoogwaardige polyamiden, hebben na het printen twee verontrustende eigenschappen gemeen: ze zijn niet recyclebaar en brengen gevaren met zich mee door vervuiling. Dat komt omdat deze kunststoffen zeer stabiele koolstof-koolstofpolymeerruggengraten bevatten die bestand zijn tegen kosteneffectieve recyclingmethoden zodra ze tot producten zijn uitgehard. Terwijl de mondiale volumes van 3D-geprinte plastic onderdelen de afgelopen tien jaar met 1500% zijn gestegen, hebben zich achter de gevierde opkomst van de technologie enorme stapels postindustrieel en post-consumentenafval zonder recyclingpad opgebouwd. Jarenlang hebben experts gewezen op een aantrekkelijk alternatief: omkeerbare polymeren die hun covalente bindingen kunnen herschikken wanneer ze worden blootgesteld aan bepaalde stimuli, waardoor herhaalde verwerking, herdruk en volledige recycling mogelijk zijn. Deze transformeerbare materialen, ook wel dynamische covalente polymeernetwerken of covalente aanpasbare netwerken (CAN's) genoemd, zijn ondanks intensieve R&D-aandacht net buiten het bereik gebleven voor betrouwbaar 3D-printen. Tot nu. Baanbrekend nieuw onderzoek van wetenschappers in Israël introduceert omkeerbare polymeren die op maat zijn gemaakt voor 3D-printen en die volledig kunnen worden gerecycled met alleen een standaard magnetron. Deze baanbrekende methodologie ontsluit eindelijk de belofte van het duurzaam printen van objecten op aanvraag en op grote schaal, zonder dat giftig afval onze stortplaatsen en oceanen opstapelt.
Een schematische weergave van het idee van dit werk: de monomeren printen tot polymeren met behulp van UV-licht, ze vervolgens recyclen tot monomeren met behulp van een magnetron en ze vervolgens opnieuw afdrukken. Zowel de eerste als de elfde printcyclus werden onder dezelfde omstandigheden geprint (1 °C, 11 nm continue bestraling), waarbij geen significante verschillen in de resolutie te zien waren. Alle schaalbalken zijn 70 cm. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De bevindingen zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen (“Volledig recycleerbare uitgeharde polymeren voor duurzaam 3D-printen”). Onder leiding van professor Shlomo Magdassi ontwikkelden de onderzoekers volledig recycleerbare en herprintbare polymere samenstellingen voor het 3D-printen van gesmolten filamenten bij veel lagere temperaturen. Dit wordt bereikt door een doelgericht ontwerp van polymeren die omkeerbare fotopolymerisatie ondergaan via cycloadditiereacties die nieuwe bindingen vormen bij blootstelling aan UV-licht. Cruciaal is dat een alledaagse magnetron de polymeren vervolgens snel kan depolymeriseren voor volledige recycling. Dit maakt meerdere printcycli mogelijk zonder de mechanische eigenschappen in gevaar te brengen of nieuwe materialen toe te voegen. De kern van deze nieuwe aanpak ligt in het ontwerp van een op maat gemaakt monomeer dat triethyleentetramine- en kaneelaldehydegroepen bevat. Dit monomeer kan cycloadducten vormen via [2+2] en [4+4] cycloadditiereacties onder UV-straling van 365 nm. De aanwezigheid van een gespecialiseerde op tin gebaseerde katalysator, ontwikkeld door de onderzoekers, versnelt deze omkeerbare fotopolymerisatiereacties. Het printen wordt uitgevoerd via de 3D-printmethode met directe inkt, waarbij het UV-licht gelijktijdige polymerisatie en verknoping veroorzaakt om de gewenste gedrukte vorm te behouden. Opmerkelijk is dat de printtemperatuur slechts 70 °C – 50 °C lager is dan de eerder gerapporteerde RCBP-printmethode met de laagste temperatuur. Volgens dr. Hanna Dodiuk “zal deze doorbraak het gebruik van duurzame grondstoffen vergemakkelijken en uiteindelijk bijdragen aan efficiëntere en milieuvriendelijkere perspectieven voor 3D-printen.” Om de geprinte onderdelen te recyclen, maken de onderzoekers innovatief gebruik van microgolfstraling. Slechts 10 minuten in een standaard magnetron met een vermogen van 216 W veroorzaakte vloeibaarmaking en 97.6% terugkeer naar de oorspronkelijke functionele monomeren. Terwijl blootstelling aan microgolven de monsters tot 180 ° C verwarmde, maakte verwarming alleen bij deze temperatuur recycling niet mogelijk. Dit suggereert dat unieke microgolfeffecten een versnelde omkering van bindingen mogelijk maken. Zoals Dr. Dodiuk uitlegt: “Normaal gesproken vereist het omkeren van cycloadditiereacties bestraling in het schadelijke bereik van UVC (<260 nm voor op kaneelaldehyde gebaseerde groepen). De instabiliteit van vier- en achtledige ringen als gevolg van bindingshoekspanning maakt ze gevoelig voor ringopening via excitatie onder UVC.” “Er werd een alternatieve aanpak onderzocht om UVC-straling te vermijden, gebaseerd op microgolfstraling (25-38 mm), waarvan bekend is dat deze snelle verwarming veroorzaakt door de rotatie van polaire moleculen. Sommige cycloadditiereacties kunnen dissociëren onder hoge temperaturen, wat trillingen in de ringen veroorzaakt, wat leidt tot sterische spanningen, wat resulteert in conversie naar de meer sterisch stabiele vorm – de oorspronkelijke moleculen”. Opmerkelijk is dat de onderzoekers met succes elf geïntegreerde print-recyclecycli hebben aangetoond zonder verlies van mechanische of thermische eigenschappen. Treksterkte, rek bij breuk en glasovergangstemperatuur bleven feitelijk onveranderd tussen de eerste en elfde iteratie.
Recycling van het polymeer in een magnetron. A) Een gedrukt exemplaar met overhangende delen. De zwarte schaalbalk vertegenwoordigt 1 cm, terwijl de lichtblauwe 0.5 mm vertegenwoordigt. De afbeelding toont het STL-bestand, de afgedrukte laag-voor-laag-structuur en een vergroting van een gedeelte van het object, waarbij de laagstructuur en afmetingen worden benadrukt. B) Conversie van de dissociatie van de adducten (recyclingconversie, percentage van de teruggewonnen dubbele bindingen) als functie van de microgolfbestralingstijd. De lichtblauwe tint vertegenwoordigt de foutbalken. De conversie werd berekend op basis van de veranderingen in de absorptie en fluorescentie van de monsters. C) foto's van nageharde monsters na verschillende bestralingstijdsintervallen in een magnetron (216 W). (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) Het volledig oplossen van gedrukte onderdelen na recycling in de magnetron bevestigde een uitstekende omkeerbaarheid. De onderzoekers analyseerden ook de polymeerconversie in elke fase met behulp van NMR-onderzoeken en UV-vis-spectrofotometrie om de recyclingefficiëntie te kwantificeren. De aanpak maakt duurzame additieve productie mogelijk met wijdverspreide potentiële toepassingen, van elektronica tot biomedische apparaten. Het overwint belangrijke barrières die eerdere pogingen van de afgelopen tien jaar om omkeerbare polymeren toe te passen op 3D-printen op de proef hebben gesteld. Zoals professor Shlomo Magdassi samenvat: “Dit onderzoek presenteert een duurzame benadering van 3D-stralingsprinten door gebruik te maken van omkeerbare cycloadditiereacties. Het nieuwe gesynthetiseerde monomeer demonstreert printbaarheid bij aanzienlijk lagere temperaturen dan eerder gerapporteerde RCBP's. De gepresenteerde aanpak maakt meerdere printcycli mogelijk zonder de mechanische en thermische eigenschappen van de geprinte objecten in gevaar te brengen en zonder materialen aan te vullen.” Met verdere ontwikkeling zou deze baanbrekende methodologie eindelijk de belofte van volledig recycleerbare 3D-printbare kunststoffen kunnen waarmaken. Gezien de enorme hoeveelheden plastic afval die gemeenschappen over de hele wereld voor uitdagingen stellen, zijn duurzamere doorbraken in de materiaalwetenschap nog nooit zo cruciaal geweest. Professor Magdassi gelooft dat dit onderzoek “een veelbelovende stap is in de richting van het bevorderen van duurzaamheid, polymeren en materiaalwetenschap.”
Een schematische weergave van het idee van dit werk: de monomeren printen tot polymeren met behulp van UV-licht, ze vervolgens recyclen tot monomeren met behulp van een magnetron en ze vervolgens opnieuw afdrukken. Zowel de eerste als de elfde printcyclus werden onder dezelfde omstandigheden geprint (1 °C, 11 nm continue bestraling), waarbij geen significante verschillen in de resolutie te zien waren. Alle schaalbalken zijn 70 cm. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De bevindingen zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen (“Volledig recycleerbare uitgeharde polymeren voor duurzaam 3D-printen”). Onder leiding van professor Shlomo Magdassi ontwikkelden de onderzoekers volledig recycleerbare en herprintbare polymere samenstellingen voor het 3D-printen van gesmolten filamenten bij veel lagere temperaturen. Dit wordt bereikt door een doelgericht ontwerp van polymeren die omkeerbare fotopolymerisatie ondergaan via cycloadditiereacties die nieuwe bindingen vormen bij blootstelling aan UV-licht. Cruciaal is dat een alledaagse magnetron de polymeren vervolgens snel kan depolymeriseren voor volledige recycling. Dit maakt meerdere printcycli mogelijk zonder de mechanische eigenschappen in gevaar te brengen of nieuwe materialen toe te voegen. De kern van deze nieuwe aanpak ligt in het ontwerp van een op maat gemaakt monomeer dat triethyleentetramine- en kaneelaldehydegroepen bevat. Dit monomeer kan cycloadducten vormen via [2+2] en [4+4] cycloadditiereacties onder UV-straling van 365 nm. De aanwezigheid van een gespecialiseerde op tin gebaseerde katalysator, ontwikkeld door de onderzoekers, versnelt deze omkeerbare fotopolymerisatiereacties. Het printen wordt uitgevoerd via de 3D-printmethode met directe inkt, waarbij het UV-licht gelijktijdige polymerisatie en verknoping veroorzaakt om de gewenste gedrukte vorm te behouden. Opmerkelijk is dat de printtemperatuur slechts 70 °C – 50 °C lager is dan de eerder gerapporteerde RCBP-printmethode met de laagste temperatuur. Volgens dr. Hanna Dodiuk “zal deze doorbraak het gebruik van duurzame grondstoffen vergemakkelijken en uiteindelijk bijdragen aan efficiëntere en milieuvriendelijkere perspectieven voor 3D-printen.” Om de geprinte onderdelen te recyclen, maken de onderzoekers innovatief gebruik van microgolfstraling. Slechts 10 minuten in een standaard magnetron met een vermogen van 216 W veroorzaakte vloeibaarmaking en 97.6% terugkeer naar de oorspronkelijke functionele monomeren. Terwijl blootstelling aan microgolven de monsters tot 180 ° C verwarmde, maakte verwarming alleen bij deze temperatuur recycling niet mogelijk. Dit suggereert dat unieke microgolfeffecten een versnelde omkering van bindingen mogelijk maken. Zoals Dr. Dodiuk uitlegt: “Normaal gesproken vereist het omkeren van cycloadditiereacties bestraling in het schadelijke bereik van UVC (<260 nm voor op kaneelaldehyde gebaseerde groepen). De instabiliteit van vier- en achtledige ringen als gevolg van bindingshoekspanning maakt ze gevoelig voor ringopening via excitatie onder UVC.” “Er werd een alternatieve aanpak onderzocht om UVC-straling te vermijden, gebaseerd op microgolfstraling (25-38 mm), waarvan bekend is dat deze snelle verwarming veroorzaakt door de rotatie van polaire moleculen. Sommige cycloadditiereacties kunnen dissociëren onder hoge temperaturen, wat trillingen in de ringen veroorzaakt, wat leidt tot sterische spanningen, wat resulteert in conversie naar de meer sterisch stabiele vorm – de oorspronkelijke moleculen”. Opmerkelijk is dat de onderzoekers met succes elf geïntegreerde print-recyclecycli hebben aangetoond zonder verlies van mechanische of thermische eigenschappen. Treksterkte, rek bij breuk en glasovergangstemperatuur bleven feitelijk onveranderd tussen de eerste en elfde iteratie.
Recycling van het polymeer in een magnetron. A) Een gedrukt exemplaar met overhangende delen. De zwarte schaalbalk vertegenwoordigt 1 cm, terwijl de lichtblauwe 0.5 mm vertegenwoordigt. De afbeelding toont het STL-bestand, de afgedrukte laag-voor-laag-structuur en een vergroting van een gedeelte van het object, waarbij de laagstructuur en afmetingen worden benadrukt. B) Conversie van de dissociatie van de adducten (recyclingconversie, percentage van de teruggewonnen dubbele bindingen) als functie van de microgolfbestralingstijd. De lichtblauwe tint vertegenwoordigt de foutbalken. De conversie werd berekend op basis van de veranderingen in de absorptie en fluorescentie van de monsters. C) foto's van nageharde monsters na verschillende bestralingstijdsintervallen in een magnetron (216 W). (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) Het volledig oplossen van gedrukte onderdelen na recycling in de magnetron bevestigde een uitstekende omkeerbaarheid. De onderzoekers analyseerden ook de polymeerconversie in elke fase met behulp van NMR-onderzoeken en UV-vis-spectrofotometrie om de recyclingefficiëntie te kwantificeren. De aanpak maakt duurzame additieve productie mogelijk met wijdverspreide potentiële toepassingen, van elektronica tot biomedische apparaten. Het overwint belangrijke barrières die eerdere pogingen van de afgelopen tien jaar om omkeerbare polymeren toe te passen op 3D-printen op de proef hebben gesteld. Zoals professor Shlomo Magdassi samenvat: “Dit onderzoek presenteert een duurzame benadering van 3D-stralingsprinten door gebruik te maken van omkeerbare cycloadditiereacties. Het nieuwe gesynthetiseerde monomeer demonstreert printbaarheid bij aanzienlijk lagere temperaturen dan eerder gerapporteerde RCBP's. De gepresenteerde aanpak maakt meerdere printcycli mogelijk zonder de mechanische en thermische eigenschappen van de geprinte objecten in gevaar te brengen en zonder materialen aan te vullen.” Met verdere ontwikkeling zou deze baanbrekende methodologie eindelijk de belofte van volledig recycleerbare 3D-printbare kunststoffen kunnen waarmaken. Gezien de enorme hoeveelheden plastic afval die gemeenschappen over de hele wereld voor uitdagingen stellen, zijn duurzamere doorbraken in de materiaalwetenschap nog nooit zo cruciaal geweest. Professor Magdassi gelooft dat dit onderzoek “een veelbelovende stap is in de richting van het bevorderen van duurzaamheid, polymeren en materiaalwetenschap.”
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64256.php
