Los termoestables autorregenerativos y reciclables son una alternativa más ecológica a los plásticos de un solo uso
A medida que aumenta la preocupación por el medio ambiente y el agotamiento de los recursos fósiles, el desarrollo de resinas sostenibles derivadas de moléculas de origen biológico cobra impulso en el sector de la impresión 3D. Los termoestables tradicionales, difíciles de fundir y reprocesar, plantean un reto importante cuando se trata de su eliminación al final de su vida útil. Financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA), el equipo del proyecto SUSTAINABLE propuso estrategias para armonizar las propiedades favorables de los termoestables con su capacidad de reciclado mecánico y químico. Entre ellas, el uso de enlaces cruzados covalentes dinámicos. «Al tener enlaces cruzados reversibles, las resinas pueden reutilizarse en nuevas formas sin perder sus propiedades beneficiosas», señala Minna Hakkarainen, coordinadora del proyecto. «Además, estas resinas pueden endurecerse o ''curarse'' mediante un proceso de baja energía a temperatura ambiente, lo que facilita el trabajo con ellas. También se les puede dar forma en diversas estructuras utilizando procesado digital de luz (DLP, por sus siglas en inglés)».
De moléculas de madera a un robusto producto 3D
El equipo del proyecto, formado por Anna Liguori, doctora becaria postdoctoral de las MSCA, y Hakkarainen,una catedrática, sintetizó una amplia biblioteca de resinas biológicas derivadas de moléculas de la madera: vainillina, eugenol e isosorbida. Estas resinas se modificaron con grupos fotopolimerizables, lo que les permitió endurecerse con la exposición a la luz. «El objetivo era crear termoestables autorregenerativos y reciclables que conservaran su forma tras el tratamiento térmico», afirma Hakkarainen. «Para lograrlo, las estructuras de resina incluían enlaces covalentes dinámicos que pueden abrirse y reformarse bajo estímulos específicos. Se utilizaron enlaces base de Schiff (también conocidos como enlaces imina) y éster ». Tomando como ejemplo una resina a base de vainillina, el equipo utilizó una lámpara ultravioleta para endurecerla, lo que dio como resultado un material termoestable resistente a los disolventes más comunes. El material también demostró una buena estabilidad térmica, permaneciendo estable a temperaturas superiores a 300 °C. La estructura reticulada y los enlaces de imina dotaron al termoestable de una combinación única de maleabilidad, propiedades autocurativas y capacidad de reprocesamiento térmico. Además, el termoestable podía reciclarse químicamente sumergiéndolo en etilendiamina, lo que desencadenaba un proceso denominado transaminación. El resultado fue un producto oligomérico con grupos aminoterminales, que puede utilizarse para fabricar nuevas películas termoestables. El equipo también demostró que esta resina puede utilizarse para producir objetos 3D mediante el DLP. Esta resina se mejoró aún más dispersando en ella puntos de carbono derivados de la celulosa, que se autoensamblaron en microfibras cuando se expusieron al DLP. En comparación con el termoestable original de base de Schiff de vainillina, este compuesto mostraba una temperatura de transición más baja y unas propiedades de memoria de forma inferiores. Sin embargo, demostró una mejor reciclabilidad mecánica y química.
Métodos de curado alternativos
En otro estudio, los investigadores estudiaron un método de postratamiento con plasma atmosférico para recubrir estructuras impresas en 3D. En comparación con el tratamiento con luz ultravioleta, este método aumentó la hidrofilicidad superficial de los termoestables derivados de la vainillina, lo que mejoró la uniformidad del recubrimiento. Este tratamiento también mejoró la protección contra los rayos ultravioleta y las propiedades antioxidantes de los termoestables recubiertos.
Resinas a base de isosorbida en estudio
Se han desarrollado cuatro resinas a base de isosorbida para la impresión 3D, cuya composición afecta directamente a la capacidad de impresión y a las propiedades del termoestable resultante. Aunque la isosorbida metacrilada añadía rigidez, afectaba negativamente a la calidad de impresión y a la resistencia a los disolventes. El aumento de la concentración de vainillina metacrilada mejoró estos problemas, pero redujo la estabilidad térmica. El uso de resina de base de Schiff metacrilada en su lugar disminuyó la rigidez pero mejoró la resistencia a los disolventes. Con enlaces covalentes dinámicos, los termoestables de éster-imina conservaron su módulo elástico tras el reciclado. «La producción sostenible y el reciclado de termoestables de origen biológico innovadores han recibido hasta ahora escasa atención. La mayoría de los estudios favorecen los métodos de curado térmico frente a los más eficaces y ecológicos basados en la luz. Además, un novedoso método asistido por plasma permite recubrir fácilmente los termoestables impresos en 3D, lo que amplía sus aplicaciones en áreas donde las propiedades superficiales son vitales», concluyen Liguori y Hakkarainen.
Palabras clave
SOSTENIBLE, termoestable, DLP, revestimiento, plástico, curado, procesado digital de luz, enlace covalente dinámico
