Beskonačno reciklirajuća smola za 3D printere

Može li 3D ispis plastike ući u eru nulte količine otpada? Kineski istraživači su razvili reciklirajuću smolu za 3D printanje, o kojoj su rad objavili u časopisu Science.

Od prilagođenih medicinskih uređaja do zrakoplovnih komponenti, 3D ispis je revolucionirao proizvodnju svojom sposobnošću brze izrade složenih, prilagođenih dizajna. No, kako tehnologija postaje sveprisutna, pojavljuje se veliki izazov, otpad. Poput konvencionalne plastike, odbačeni 3D ispisani materijali se gomilaju, s ograničenim mogućnostima recikliranja.

Tim sa Sveučilišta Zhejiang sada je pronašao rješenje. Predvođen profesorom XIE Taom i profesorom ZHENG Ningom s Fakulteta kemijskog i biološkog inženjerstva, tim je razvio novu termički reverzibilnu reakciju takozvanog "foto-klika", za fotosenzibilni 3D ispis koji omogućuje beskonačno reciklirajuću smolu za 3D ispis bez žrtvovanja performansi.

Njihovi nalazi mogli bi označiti veliki korak prema istinski kružnom gospodarstvu u aditivnoj proizvodnji.

Za razliku od tradicionalne subtraktivne proizvodnje, koja uklanja višak materijala, fotosenzibilni 3D ispis gradi objekte sloj po sloj koristeći tekuću smolu i svjetlost, slično sastavljanju Lego kockica. Međutim, unatoč desetljećima napretka, područje se i dalje suočava s ograničenjima poput spore brzine proizvodnje, ograničene čvrstoće materijala i visokih troškova smole, što ometa širu industrijsku primjenu.

XIE Taoov tim već se dugo bavi ovim izazovima. Prošle godine su u časopisu Nature predstavili super rastezljiv materijal za 3D ispis, sposoban za izduživanje devet puta više od svoje izvorne duljine, a sada održivost podižu na višu razinu.

„Kad bismo mogli beskonačno reciklirati materijale za 3D ispis“, objašnjava XIE Tao, „smanjili bismo i troškove i otpad – što bi bilo korisno i za industriju i za okoliš.“

Proboj tima došao je neočekivano. Tijekom eksperimenta,  tim je dodao tiolni reagens i rezultati su prkosili očekivanjima. Nakon dubljeg istraživanja, tim je shvatio da su naišli na svjetlom izazvanu reakciju između tiola i aldehida, tipičnu kemijsku reakciju koja obično zahtijeva zagrijavanje.

„Ovo je bio prvi put da je netko pokazao da se ova reakcija može brzo odvijati pod svjetlom“, kaže ZHENG Ning. To slučajno otkriće otvorilo je vrata novoj klasi reciklirajućih, visokoučinkovitih 3D smola za printanje.

Tipično 3D fotoprintanje oslanja se na fotopolimerizaciju (met)akrilatnih monomera i umreživača, koji stvaraju ugljik-ugljik veze koje je praktički nemoguće razbiti za recikliranje. XIE Taoov tim je odabrao drugačiji pristup. Njihov sustav formira ditioacetalne veze - molekularne "kopče" koje povezuju polimerne gradivne blokove pod svjetlom, ali se otkopčavaju blagim zagrijavanjem, vraćajući materijal u prvobitno stanje.

„To je kao rastavljanje Lego kockica“, kaže XIE Tao. „Ispisani objekt može se oporaviti na molekularnoj razini i ponovno ispisati iznova i iznova.“

Ključno je da ovaj modularni dizajn omogućuje podešavanje polimerne okosnice bez ugrožavanja mogućnosti recikliranja. Finim podešavanjem molekularnih struktura stvorili su elastomere,kristalne polimere i krute plastike, sve od iste osnovne kemije. Potencijalne primjene kreću se od lijevanja pjene za metalne dijelove motora do ortodontskih poravnavača.

„Naše istraživanje uspješno je prevladalo dugogodišnji kompromis između mehaničkih performansi i mogućnosti recikliranja u zatvorenoj petlji kod fotosenzibilnih 3D materijala za ispis na molekularnoj razini“, rekao je XIE Tao. „Uspostavljanjem sustava dinamičke ditioacetalne kemije koji reagira na svjetlost, nudimo novu strategiju molekularnog dizajna, pružajući značajne uvide za unapređenje održivih proizvodnih tehnologija.“