فراپلیمر شریف

ساخت افزایشیِ (additive manufacturing) (چاپ سه بعدی) حلقه بسته (closed-loop) تغذیه شده با پلاستیک نوساز شده (upcycled)

ایجاد روش حلقه بسته پایدار واقعیت خواهد داشت اگر پلاستیک‌های مصرفی بتوانند نوسازی شوند و به مواد با عمل‌کرد بالاتر با فرآیندپذیری آسان تبدیل شوند. چنین چرخه‌ای تحقق خواهد یافت زمانی که پلاستیک‌های نوساز شده بتوانند (باز) فرآورش شوند و به ساختارهای سفارشی طراحی شده از طریق روش‌های انرژی/ساخت افزایشی منابع کارآمد، به خصوص با ساخت فیلامنت مقیاس‌پذیر و در دسترس تبدیل شوند. اینجا، ما مدلی را معرفی می‌کنیم که با نوسازی یک ترموپلاستیک مهم نشان داد آکریلونیتریل بوتادی‌ان استایرن ABS به یک ماده قابل بازیافت، شبکه کووالانسی دینامیک انطباق‌پذیر مستحکم (ABS-vitrimer) قابل چاپ (مجدد) توسط FFF تبدیل می‌شود.

[ویتریمرها دسته‌ای از پلاستیک‌های مشتق شده از پلیمرهای ترموست بوده و بسیار مشابه آن‌ها هستند. این پلیمرهای شیشه گونه دسته‌ای از مواد هستند که از شبکه‌های مولکولی کووالانسی تشکیل می‌شوند که می‌توانند توپولوژی آن‌ها را با واکنش‌های تعویض پیوند فعال شده با حرارت تغییر دهد. در دماهای بالا می‌توانند مانند ویسکوالاستیک جریان یابند، در دماهای پایین واکنش‌های تعویض پیوند به شدت آهسته (منجمد) هستند و ویتریمرها مانند ترموست‌های کلاسیک در این دما رفتار می‌کنند.]

فرآورش کامل FFF ماده  ABS-vitrimer به چالش‌ عمده مواد پیوند عرضی شده چاپ (مجدد) غلبه می‌کند و اشیاء سه بعدی محکم‌تر، چقرمه‌تر، مقاوم در برابر حلال به طور مستقیم قابل چاپ مجدد و قابل جداسازی از ضایعات پلاستیک طبقه‌بندی نشده را تولید کرد. از این رو این مطالعه روی‌کردی به زودی قابل پذیرش برای ساخت پیشرفته در مسیر اقتصاد پلاستیک چرخشی ارائه می‌دهد.

محققان در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در وزارت انرژی، روی‌کرد upcycling (نوساز) ایجاد کرده‌اند که به پلاستیک‌های دور ریخته شده برای استفاده مجدد در ساخت افزایشی یا چاپ سه‌ بعدی ارزش می‌دهد. این روش به سادگی مقیاس‌پذیر و قابل قبول، یک استراتژی حلقه بسته را معرفی می‌کند که می‌تواند ضایعات پلاستیکی را در سطح جهانی کاهش دهد و انتشار کربن مرتبط با تولید پلاستیک را حذف کند.

نتایج در Science Advances انتشار یافت جزئیات این فرآیند ساده برای نوسازی یک کالای پلاستیکی به مواد مستحکم‌تر سازگار با روش‌های چاپ سه بعدی صنعتی است.

این تیم اکریلونیتریل‌بوتادین‌استایرن یا ABS را ارتقا دادند، یک ترموپلاستیک رایج که در اشیاء روزمره از قطعات خودرو تا توپ‌های تنیس و بلوک‌های LEGO یافت می‌شود. ABS یک ماده اولیه متداول برای ساخت فیلامنت‌های ذوب شده یا FFF (fused filament fabrication) است که یکی از پرکاربردترین روش‌های چاپ سه بعدی است. نسخه نوسازی شده از استحکام، چقرمگی و مقاومت شیمیایی افزایش یافته برخوردار است، در حالی که آن را برای FFF جذاب می‌کند تا کاربردهای عمل‌کردی جدید و بالاتر دست‌نیافتنی با ABS استاندارد را برآورده کند.

نوسازی پلیمر نقش مهمی در رفع چالش رو به رشد انباشت ضایعات پلاستیکی در جهان ایفا می‌کند. تقریباً 400 میلیون تن ضایعات پلاستیکی هر سال تولید می‌شود که عمدتاً به عنوان اقلام یک‌بار مصرف در محل‌های دفن ضایعات یا محیط زیست می‌انجامد. در سطح جهانی، کم‌تر از 10% ضایعات پلاستیکی بازیافت می‌شوند.

Tomonori Saito، نویسنده اصلی بخش علوم شیمی ORNL، می‌گوید: «ما برای غلبه بر چالش‌های هزینه‌های افزایش یافته و خواص مواد رو به زوال ناشی از بازیافت، به بررسی‌های اساسی نیاز خواهیم داشت. “هدف ما ایجاد یک استراتژی به راحتی قابل قبول بود که از ضایعات پلاستیکی برای به وجود آوردن مواد با ارزش‌تر به جای تولید پلاستیک دست اول استفاده مجدد می‌کند.”

این تیم ساخت افزایشی را هدف قرار داد، که منبعی کارآمدتر از ساخت مرسوم است و می‌تواند به ساختارهای سه‌ بعدی مفید و پیچیده‌ دست یابد که تولید با قالب‌گیری یا ریخته‌گری دشوار است. FFF بیش‌ترین سهم از این صنعت در حدود 70% از بازار جهانی را تشکیل می‌دهد.

Sungjin Kim از ORNL گفت: «مواد جدید در حال توسعه و قابل بازیافت با ویژگی‌های برتر برای FFF فرصت‌هایی را ایجاد می‌کند تا تأثیر بزرگ بر تولید پلاستیک بگذارد و قابلیت‌های ساخت افزایشی را گسترش دهد که پتانسیل کاهش رد پای کربن ما را دارد.»

چاپ FFF به موادی نیاز دارد که می‌توانند از طریق یک نازل گرم‌شده اکسترود یا رانده شوند تا رشته‌های ساختارهای سه‌ بعدی را در حالی که لایه به لایه ساخته می‌شوند، مانند سیم پیچی یک طناب، تشکیل دهند. همانند یک ماده ترموپلاستیک که به گرما واکنش نشان می‌دهد، ABS برای این فرآیند خوب عمل می‌کند زیرا می‌تواند به راحتی جریان یابد و به سرعت سخت می‌شوند و به ساختارهای محکم و سفت تبدیل شود. اما، نقاط ضعف ذاتی در این روش که رشته‌ها روی هم انباشته و به یکدیگر متصل می‌شوند، وجود دارند. توسعه مواد خام جدید با ویژگی‌های برتر می‌تواند کاربردهای کارایی بالا برای FFF را ارتقا دهد، اما این مواد برای طراحی دشوار شده اند.

این تیم شیمی «کلیک» برای تبدیل ترکیب شیمیایی ABS به ویتریمر، نوعی پلیمر که قابلیت فرآورش و بازیافت ترموپلاستیک‌ها را با خواص مکانیکی برتر ترموست‌ها، مانند اپوکسی، که عمدتاً با FFF سازگار نیستند، ترکیب می‌کند، به کار بردند. این سنتز از ترکیبات پزشکی به طور گسترده در دسترس استفاده می‌کند که در یک مرحله واحد در شرایط ملایم مخلوط می‌شوند سپس با حرارت پخت می‌شوند.

نتایج نشان می‌دهد که ABS بازیافت شده تقریباً دو برابر چقرمگی و استحکام ABS استاندارد، به همراه مقاومت افزایش یافته در برابر حلال را حاصل کرد.

محققان استحکام فشاری عالی این ماده را با ساختارهای هندسی پرینت سه بعدی پیچیده که بر روی بال‌های سوسک مدل‌سازی شدند، نشان دادند.

Saito می‌گوید: «مقاومت در برابر حلال مرغوبیت را افزایش داده است زیرا به ما اجازه می‌دهد تا به راحتی ABS اصلاح‌شده را از ضایعات پلاستیکی مخلوط و طبقه‌بندی نشده که معمولاً در سناریوهای بازیافت مواجه می‌شوند، جدا کنیم.

این تیم ضایعات پلاستیکی مخلوط را در حلال‌های مختلف حل کردند و در هر آزمایش ABS نوساز شده ساختار خود را حفظ کرد، در حالی که تمام سایر پلاستیک‌ها از جمله ABS کاملاً حل شدند.

 Kim گفت: «این روی‌کرد فوق‌العاده تطبیق‌پذیر است. ABS نوساز شده بهبودیافته را می‌توان بارها و بارها برای FFF با حداقل از دست دادن خواص استفاده کرد. همچنین می‌تواند با ABS مخلوط و استاندارد ترکیب شود و مستقیماً به عنوان یک ترکیب چاپ کرد.

روی‌کرد چند مسیری هر دو بازیافت و نوسازی ضایعات ABS مخلوط حاوی هر ترکیبی از ABS استاندارد، نوساز شده یا ترکیب شده را امکان‌پذیر می‌کند. همه با FFF سازگار هستند و نیازی نیست که از پیش برای چاپ مجدد جدا شود، اما جداسازی می‌تواند به راحتی انجام شود تا مجموعه‌ای از مواد مفید برای کاربردهای ساخت گسترده را ارائه دهد.

Saito گفت: «این تلاش یک حلقه بسته برای ساختن اقلام پلاستیکی، به طور بالقوه با ارزش و عمل‌کرد بالاتر، را نشان داد در حالی که فقط از ضایعات پلاستیکی موجود در یکی از در دسترس‌ترین مناطق ساخت افزایشی استفاده می‌کند.»

مقاله ژورنال با عنوان « ساخت افزایشیِ (additive manufacturing) (چاپ سه بعدی) حلقه بسته (closed-loop) پلاستیک مصرفی نوساز شده (upcycled) توسط پیوند عرضی دینامیک» منتشر شده است.

 

منبع

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220613140727.htm

 

لینک مستقیم دانلود مقاله

Closed-loop additive manufacturing of upcycled

 

 

 از طریق آدرس میل زیر با ما در ارتباط باشید.

info@fara-ps.com