Samonaprawiające się, nadające się do recyklingu tworzywa termoutwardzalne jako bardziej ekologiczna alternatywa dla tworzyw sztucznych jednorazowego użytku
W odpowiedzi na rosnące obawy środowiskowe i wyczerpywanie się zasobów kopalnych branża wytwarzania przyrostowego opracowuje zrównoważone żywice otrzymywane z biocząsteczek. Tradycyjne tworzywa termoutwardzalne, które są trudne do stopienia i ponownego przetworzenia, są problematyczne, jeśli chodzi o utylizację po zakończeniu eksploatacji. Zespół finansowanego przez program działań „Maria Skłodowska-Curie” projektu SUSTAINABLE zaproponował strategie pozwalające na harmonijne połączenie korzystnych właściwości tworzyw termoutwardzalnych ze zdatnością do recyklingu mechanicznego i chemicznego. Jedyną z nich jest wykorzystanie dynamicznych sieciowań kowalencyjnych. „Zawierające odwracalne usieciowania żywice mogą być ponownie wykorzystywane w nowych formach bez utraty korzystnych właściwości”, mówi koordynatorka projektu Minna Hakkarainen. „Co więcej, żywice te mogą być utwardzane za pomocą energooszczędnego procesu w temperaturze pokojowej, dzięki czemu są łatwe w obróbce. Można je również kształtować w różne struktury za pomocą technologii Digital Light Processing (DLP)”.
Od cząsteczek drewna do solidnego produktu 3D
Zespół, w którego skład weszły stypendystka MSCA dr Anna Liguori i prof. Hakkarainen, zsyntetyzował obszerną bibliotekę żywic biologicznych pochodzących z cząsteczek drewna – waniliny, eugenolu i izosorbidu. Żywice te zostały zmodyfikowane grupami fotoutwardzalnymi, dzięki czemu ulegają utwardzeniu pod wpływem światła. „Chodziło o stworzenie samonaprawiających się i nadających się do recyklingu tworzyw termoutwardzalnych, które będą zachowywały swój kształt po obróbce cieplnej”, stwierdza Hakkarainen. „Aby tego dokonać, w strukturach żywicy zawarto dynamiczne wiązania kowalencyjne, które mogą być otwierane i przekształcane pod wpływem określonych bodźców. Zastosowano zasadę Schiffa (znaną również jako imina) i wiązania estrowe”. Jeśli chodzi o żywicę na bazie waniliny, zespół wykorzystał lampę ultrafioletową do jej utwardzenia, w wyniku czego powstał materiał termoutwardzalny odporny na większość powszechnie stosowanych rozpuszczalników. Materiał wykazał się również dobrą stabilnością termiczną w temperaturach powyżej 300°C. Usieciowana struktura i wiązania iminowe nadały termoutwardzalnemu tworzywu unikatową kombinację właściwości dotyczących plastyczności, samonaprawy i zdatności do ponownego przetwarzania termicznego. Co więcej, tworzywo termoutwardzalne można poddać recyklingowi chemicznemu poprzez zanurzenie go w etylenodiaminie, co uruchamia proces zwany transiminacją. W efekcie otrzymano produkt oligomeryczny z końcowymi grupami aminowymi, który można wykorzystać do produkcji nowych folii termoutwardzalnych. Zespół zademonstrował również, że żywica ta może być wykorzystywana do produkcji przedmiotów trójwymiarowych przy użyciu technologii DLP. Żywica ta została dodatkowo wzmocniona poprzez rozprowadzenie w niej kropek węglowych otrzymanych z celulozy, które po wystawieniu na działanie DLP samoczynnie łączą się w mikrowłókna. W porównaniu z oryginalnym wanilinowym tworzywem termoutwardzalnym opartym na zasadzie Schiffa kompozyt ten wykazywał niższą temperaturę przemiany i gorsze właściwości pod względem pamięci kształtu. Jednocześnie jednak wykazywał się lepszą zdatnością do recyklingu mechanicznego i chemicznego.
Alternatywne metody utwardzania
W innym badaniu naukowcy przyjrzeli się metodzie obróbki plazmą atmosferyczną do powlekania drukowanych struktur 3D. W porównaniu z obróbką światłem ultrafioletowym metoda ta pozwoliła zwiększyć hydrofilowość powierzchni termoutwardzalnych materiałów otrzymywany z waniliny, poprawiając jednorodność powłoki. Obróbka poprawiła również ochronę przed promieniowaniem ultrafioletowym i właściwości przeciwutleniające powlekanych tworzyw termoutwardzalnych.
Badanie żywic na bazie izosorbidu
Na potrzeby wytwarzania przyrostowego opracowano cztery żywice na bazie izosorbidu, których skład ma bezpośredni wpływ na możliwości drukowania i wynikające z nich właściwości termoutwardzalnych. Metakrylowany izosorbid zwiększa sztywność, ale negatywnie wpływa na jakość druku i odporność na rozpuszczalniki. Zwiększenie stężenia metakrylowanej waniliny poprawia te aspekty, ale zmniejsza stabilność termiczną wyrobu. Z kolei zastosowanie metakrylowanej żywicy na bazie zasady Schiffa zmniejsza sztywność, ale poprawia odporność na rozpuszczalniki. Dzięki dynamicznym wiązaniom kowalencyjnym termoutwardzalne tworzywa estrowo-iminowe zachowują swój moduł sprężystości po recyklingu. „Dotychczas poświęcano niewiele uwagi zrównoważonej produkcji i recyklingowi innowacyjnych termoutwardzalnych materiałów pochodzenia biologicznego. Większość badań dotyczy termicznych metod utwardzania zamiast bardziej wydajnych i przyjaznych dla środowiska metod świetlnych. Co więcej, nowatorska metoda wspomagana plazmą umożliwia łatwe powlekanie termoutwardzalnych materiałów wytwarzanych przestrzennie, pozwalając na ich zastosowanie w obszarach, w których kluczowe znaczenie mają właściwości powierzchni”, tłumaczą Liguori i Hakkarainen.
Słowa kluczowe
ZRÓWNOWAŻONY, termoutwardzalne, DLP, powłoka, tworzywo sztuczne, utwardzanie, Digital Light Processing, dynamiczne wiązanie kowalencyjne
