I termoindurenti autorigeneranti e riciclabili offrono un’alternativa più ecologica alle plastiche monouso
Con l’aumento delle preoccupazioni per l’ambiente e la riduzione delle risorse di origine fossile, lo sviluppo di resine sostenibili derivate da molecole biocompatibili sta prendendo piede nel settore della stampa 3D. I termoindurenti tradizionali, difficili da fondere e rilavorare, sono complessi da smaltire al termine della loro vita utile. Il progetto SUSTAINABLE, finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, ha proposto strategie per armonizzare le proprietà favorevoli dei termoindurenti con la possibilità di riciclarli meccanicamente e chimicamente. I metodi proposti includono l’uso di reticolati covalenti dinamici. «Poiché contengono legami reticolati reversibili, le resine possono essere riutilizzate in nuove forme senza perdere le proprie proprietà benefiche», osserva Minna Hakkarainen, coordinatrice del progetto. «Inoltre, possono essere indurite o trattate con un processo a bassa energia a temperatura ambiente, che le rende facili da lavorare. Possono anche essere modellate in varie strutture utilizzando la tecnica detta digital light processing (DLP).»
Dalle molecole di legno a un robusto prodotto 3D
Il team del progetto, composto da Anna Liguori, dottoressa di ricerca e borsista postdottorato MSCA, e dalla prof.ssa Hakkarainen, ha sintetizzato un’ampia libreria di resine biocompatibili derivate da molecole del legno: vanillina, eugenolo e isosorbide. Queste sono state modificate con gruppi fotocurabili, che ne permettono l’indurimento con l’esposizione alla luce. «L’obiettivo era quello di creare termoindurenti autorigeneranti e riciclabili che mantenessero la forma dopo il trattamento termico», afferma Hakkarainen. «Per ottenere questo risultato, le strutture delle resine comprendevano legami covalenti dinamici che possono essere aperti e riformati in base a stimoli specifici. Sono stati utilizzati la base di Schiff (nota anche come legame imminico) e legami esteri.» La resina a base di vanillina, ad esempio, è stata indurita con una lampada a raggi ultravioletti, ottenendo un materiale termoindurente resistente ai solventi più comuni. Questo materiale ha inoltre dimostrato una buona stabilità termica, fino a temperature superiori ai 300 °C. La struttura reticolata e i legami imminici hanno conferito al termoindurente una combinazione unica di malleabilità, proprietà autorigeneranti e la capacità di subire una rilavorazione termica. Inoltre, il termoindurente può essere riciclato chimicamente se immerso in etilendiammina, che innesca un processo chiamato transaminazione. Il risultato è un prodotto oligomerico con gruppi amminici terminali, che può essere utilizzato per realizzare nuovi film termoindurenti. Il gruppo di ricerca ha inoltre dimostrato la possibilità di produrre oggetti 3D da questa resina utilizzando il DLP. La resina è stata ulteriormente migliorata disperdendovi punti di carbonio derivati dalla cellulosa, che si sono auto-assemblati in microfibre quando dopo l’esposizione al DLP. Rispetto al termoindurente originale a base di vanillina con base Schiff, questo composito ha dimostrato una temperatura di transizione inferiore e proprietà di memoria di forma ridotte, ma una migliore riciclabilità meccanica e chimica.
Metodi di polimerizzazione alternativi
In un altro studio, l’équipe ha analizzato un metodo di post-trattamento al plasma atmosferico per il rivestimento di strutture stampate in 3D. Rispetto all’uso di luce ultravioletta, questo metodo ha aumentato l’idrofilia superficiale dei termoindurenti derivati dalla vanillina, migliorando l’uniformità del rivestimento. Inoltre, i termoindurenti rivestiti hanno acquisito migliori proprietà di schermatura dai raggi ultravioletti e antiossidanti.
Resine a base di isosorbide in fase di studio
Per la stampa 3D sono state sviluppate quattro resine a base di isosorbidi, la cui composizione influisce direttamente sulla stampabilità e sulle proprietà del termoindurente risultante. L’isosorbide metacrilato ha aggiunto rigidità, ma ha avuto ripercussioni negative sulla qualità di stampa e sulla resistenza ai solventi. La maggiore concentrazione di vanillina metacrilata ha migliorato questi aspetti, pur riducendo la stabilità termica. Utilizzando invece una resina metacrilata a base di Schiff, si è osservata una ridotta rigidità, ma accompagnata da una migliore resistenza ai solventi. Con legami covalenti dinamici, i termoindurenti estere-imina hanno mantenuto il loro modulo elastico a seguito del riciclaggio. «La produzione e il riciclaggio sostenibili di termoindurenti innovativi biocompatibili hanno finora ricevuto scarsa attenzione. Gran parte degli studi privilegia i metodi di polimerizzazione termica rispetto a quelli più efficienti ed ecologici basati sulla luce. Inoltre, un nuovo metodo a base di plasma consente di rivestire facilmente i termoindurenti stampati in 3D, ampliandone le applicazioni in settori in cui le proprietà superficiali sono fondamentali», concludono Liguori e Hakkarainen.
Parole chiave
SUSTAINABLE, termoindurente, DLP, rivestimento, plastica, polimerizzazione, trattamento digitale della luce, legame covalente dinamico
