Cirkulär modelldesign av upcycling av termoplaster till återvinningsbar vitrimer för FFF. (A) Schematiskt diagram som jämför egenskaper hos traditionella termoplaster, härdplaster och vitrimerer. (B) Schematisk illustration av den cirkulära designen av upcycling termoplaster till FFF-(re)printable vitrimer. Dynamiska kovalenta tvärbindningar i vitrimeren omarrangeras lätt för att möjliggöra FFF (om)utskrift vid hög temperatur samtidigt som det förbättrar interfilamentstyrkan och lösningsmedelsstabiliteten för utskrifter. Fotografierna visar strukturer tryckta från obehandlat ABS (Neat-ABS) (vänster) och ABS-vitrimer (höger) i en byggnad (överst) och ett ekblad före (mitten) och efter (botten) nedsänkning i tetrahydrofuran (THF) i 48 timmar. ABS-vitrimern behöll sin struktur, medan Neat-ABS löstes upp helt. Således kan ABS-vitrimer och Neat-ABS återvinnas genom separation respektive upplösning-fällning från deras avfallsblandningslösning, varifrån den upplösta Neat-ABS kan återvinnas till ABS-vitrimer (detaljerad diskussion i ett senare avsnitt) . Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn6006
Om bioingenjörer kan omvandla råvaruplast till material med högre prestanda, kan de etablera en hållbar tillverkning med slutna kretslopp med bredare industriella och miljömässiga fördelar. Till exempel kan återvunnen plast bearbetas för att bilda specialdesignade strukturer via en energiresurseffektiv additiv tillverkningskrets baserad på tillverkning av smält filament (FFF-metoden). I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Sungjin Kim och ett team av forskare inom kemi, materialvetenskap och tvärvetenskaplig forskning vid Oak Ridge National Laboratory och University of Tennessee, USA, introducerade en cirkulär modell för att uppgradera en framstående termoplast som kallas akrylnitrilbutadienstyren (ABS). Teamet återcirkulerade materialet till ett återvinningsbart och robust kovalent nätverk, som kan tryckas om via hopsmält filamenttillverkning. Processen övervann stora utmaningar med att trycka om tvärbundna material för att producera starka, sega och lösningsmedelsbeständiga 3D-objekt separat från osorterat plastavfall. Resultaten ger ett anpassningsbart tillvägagångssätt för avancerad tillverkning av cirkulär plast.
En cirkulär plastekonomi
Plastproduktionen har nått en betydande ökning från 2,13 % 2013 till beräknade 16 % av de globala nettoutsläppen av koldioxid till 2050. Som ett bästa scenario strävar forskare därför efter att öka plaståtervinningen för att minska efterfrågan på produktion och minska koldioxidutsläppen. utsläpp med 93 %. Genom att etablera en sluten kretslopp av plast, kan de uppnå netto-noll koldioxidutsläpp för att utveckla tillverkningsvägar för plast för bästa möjliga resultat. Av de befintliga tillverkningsmetoderna tillhandahåller additiv tillverkning 3D-materialproduktion på begäran för att omvandla plastavfall till användbara 3D-konstruktioner med bättre materialprestanda och därigenom upprätthålla den cirkulära plastekonomin. Teamet införlivade metoden för tillverkning av smält filament för sina användarvänliga och lättillgängliga utskriftsprotokoll. I detta arbete omvandlade Kim et al akrylnitrilbutadienstyren (förkortat ABS) till en högpresterande vitrimer genom att använda tekniken för tillverkning av fullständigt smält filament.
Kemisk upcycling-väg för att syntetisera ABS med dynamiska imin-tvärbindningar och deras skräddarsydda mekaniska egenskaper. (A) Neat-ABS modifierades för att innehålla amingrupper via tiolenreaktion av cysteamin med butadiengrupper vid 60°C genom att använda azobisisobutyronitril (AIBN) som initiator. (B) Den modifierade ABS:en genomgick iminbildningsreaktionen med glutaraldehyd i lösningstillstånd, torkades och härdades sedan vid 150°C. (C) Dragspännings-töjningskurvor för Neat, ALD-0, ALD-08, ALD-17, ALD-33, ALD-66 och ALD-124. Jämförelse av (D) seghet (infälld är ett foto av syntetiserade ALD-08-, ALD-17- och ALD-33-prover med olika färgmättnad) och (E) UTS för proverna i (C). Felstaplarna indikerar SD från åtminstone tredubbla mätningar. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn6006
För att uppgradera råvaruplast för omtryckningsapplikationer ersatte forskarna befintliga metoder för att utveckla tvärbundna nätverk med reversibla bindningar. Kim et al åstadkom detta via associativt iminutbyte. Genom att återanvända ABS till ABS-vitrimeren (en klass av förnybara plaster) förbättrade de märkbart materialets termomekaniska och kemiska robusthet. Vitrimeren visade flervägs återvinningsbarhet, tillsammans med förbättrad interfilamentbindning och lösningsmedelsbeständighet. De dekonstruerade vitrimeravfallet via upplösning och tryckte om dem med hjälp av helfilamenttillverkningsmetoden för att bilda användbara 3D-strukturer, lösa upp och återanvända plast i en värdehöjande cykel. Processen minskade koldioxidekvivalenta utsläpp med minst 65 % jämfört med förbränning, vilket representerar en lätt anpassningsbar cirkulär plasttillverkningsmetod.
Processbarhet och viskoelastiskt beteende hos ABS-vitrimer. (A) Schema som beskriver (om)bearbetbarheten av ALD-33. ALD-33 kunde varmpressas till en film vid 150°C, formas efter önskemål, brytas isär och pressas om till en film vid 150°C. (B) Reologiskt beteende vid 150 °C av Neat-ABS och ALD-33 kännetecknat av frekvenssvep vid 1 % töjning från oscillerande skjuvtest med liten vinkel och tid-temperaturöverlagring (mätt 130 ° till 170 °C med 10 °C intervaller referens T =150°C). (C) Arrhenius förhållande från erhållen avslappningstid (τ) från stress-relaxation profiler av ALD-33 (fig. S8). Den härledda Ea är ~151 kJ/mol (se Material och metoder och tabell S5 för mer information). (D) Dynamisk mekanisk analys (DMA) av ALD-33-filmer vid tre återvinningar (åter 1 till 3) i oscillationstemperaturökning från 35° till 130°C (amplitud, 20 μm; frekvens, 1 Hz; Tramphastighet, 3 °C/min). Observera att meningsfulla mätningar över 130 ° C inte var tillgängliga med våra apparatkonfigurationer på grund av provdeformation av ABS-system (fig. S12). (E) Förlustfaktorn (tan δ =E″/E′) registrerad via mätningen i (D). Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn6006
Modifiering i ett steg och flera steg i produktkarakterisering
På detta sätt återcirkulerade Kim et al ABS till en FFF-utskrivbar vitrimer där den ursprungliga föreningen var duktil och seg med omättade dubbelbindningar som kunde ändras efter funktionalisering. Teamet implementerade sedan tiol-en "klick"-kemi för att funktionalisera beståndsdelar i konstruktionen, för att producera ABS-vitrimeren. De observerade reaktionerna via kärnmagnetisk resonans och Fourier transform infraröd spektroskopi. Produkterna var lösningsmedelsbeständiga för en rad lösningsmedel, inklusive acetonkloroform, mot tetrahydrofuran och diklormetan. Forskarna bedömde de mekaniska egenskaperna hos konstruktionerna via dragtester, tillsammans med viskoelasticitet och bearbetbarhet vid högre temperaturer, samtidigt som de förbättrade produkternas termomekaniska stabilitet.
Återvinning av plastprodukter och processen för tillverkning av fullständig filament (FFF)
Forskargruppen fastställde produktens återvinningsbarhet genom dynamisk mekanisk analys och dragtester på proverna, där resultaten visade nästan identiska lagringsmoduler för fyra individuella prover efter tre återvinningar för att indikera god återvinningsbarhet av elasticitet. Forskarna visade också möjligheten att upparbeta tvärbunden ABS-vitrimer; att återvinna dem genom att värma upp dem utan att använda lösningsmedel eller tillsatser för att dissociera nätverket och möjliggöra omtryckbarhet.
Upcycling av ABS-avfall till transimination-prekursor via tiolen-klickreaktion. Återvinningen av använt ABS-avfall via tiolenfunktionalisering för att fästa aminer för att bilda vitrimerer som kan gå igenom dynamisk transimination. De misslyckade tryckta delarna av Neat-ABS löstes upp i THF och genomgick en tiolenreaktion med cysteamin initierad av AIBN. Den reagerade lösningen fick en blek limegul färg, väl i överensstämmelse med vår observation. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn6006
FFF-metoden för vitrimertryckbarhet möjliggjorde snabb utbyteskinetik och formbarhet med mekanisk integritet för att utveckla självstående strukturer. Metoden möjliggjorde förbättrad interlagerintegrering för ökad styrka. När Kim et al nedsänkte produkten i tetrahydrofuran var proverna lösningsmedelsresistenta, vilket tyder på tvärbindning genom hela den skiktade strukturen. Tekniken ledde till enkel provseparering från avfallsblandningar för färdiga återvinnings- och återvinningsprocesser. Forskarna noterade överlägsen specifik energiabsorption för de bioinspirerade återcirkulerade ABS-vitrimererna, vilket ger förbättrad strukturell styrka med minskad materialförbrukning under tillverkningsprocessen jämfört med konventionella vägar. Arbetet betonade möjligheten att utveckla FFF-utskrivbara vitrimerer och kompositer för tillämpningar inom robotik, elektronik och terapier inom biomedicin.
FFF av ABS-vitrimerer. (A) Datorstödd design (CAD) av ett enskiktigt hundbensdragprov tryckt i den tvärgående banan. (B) Dragspännings-töjningskurvor och (C) UTS för tvärtryckta prover gjorda av Neat-ABS och ALD-33. (D) CAD, (E) dragspänning-töjningskurvorna och (F) UTS för longitudinellt tryckta prover. (G) Svepelektronmikroskopi (SEM) bilder som visar kanterna på de tvärtryckta proverna. (H) Lösningsmedelsbeständighet hos en FFF-tryckt ekbladstruktur (0,3 g) under 24 timmar i THF (10 ml) vid rumstemperatur. Den blå Neat-ABS användes för bättre visuell jämförelse. (I) Separering av ABS-vitrimer från dess osorterade avfallsblandning med Neat-ABS och frigolit genom upplösning i THF följt av dekantering. (J) Avfallet från Neat-ABS, ABS-vitrimer eller deras blandningar återförs till 3D-printade korgar med olika färger genom att upprepa samma FFF-protokoll. (K) Kompressionskraft-förskjutningskurvorna för enhetsmassan (Flast/mprov) av skalbaggars framvingsinspirerade strukturer tryckta från Neat-ABS och ALD-33. (L) Specifik energiabsorption (SEA) och (M) den avgivande Fload/mprovet vid förskjutningen av ~0,4 mm i (K). Det skuggade området indikerar det typiska SEA-intervallet för en helt fylld struktur av Neat-ABS. Felstaplarna indikerar SD från tredubbla mätningar. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn6006
Outlook:Återvinningsbar plast för hållbarhet
På detta sätt presenterade Sungjin Kim och kollegor sina resultat för att återvinna plastavfall till utarbetade 3D-printade, robusta och återvinningsbara tvärbundna material. Strategin gäller termoplaster för att etablera flera värdehöjande cirkulära modeller. Detta tillvägagångssätt att använda en additiv tillverkningsmetod för att återanvända råvaruplaster för att utveckla material med högre värdestrukturer ger en kommersiellt och miljömässigt hållbar strategi för att använda slutna cirkulär tillverkning. Resultaten av återanvändning av plast kommer att ha betydande långsiktiga effekter i industriella tillämpningar, hälsovård och ge en robust miljöstrategi. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
