نوسازی پلیمرها به موادی با عملکرد بالا
ایجاد روش حلقه بسته پایدار واقعیت خواهد داشت اگر پلاستیک‌های مصرفی بتوانند نوسازی شوند و به مواد با عملکرد بالاتر با فرایندپذیری 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، به‌خصوص 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 قابل‌بازیافت، شبکه کووالانسی دینامیک انطباق‌پذیر مستحکم (ABS-vitrimer) قابل چاپ (مجدد) توسط FFF تبدیل می‌شود.
ویتریمرها و خواص باور نکردنی آنها
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 باحرارت تغییر دهد. در دماهای بالا می‌توانند؛ مانند ویسکوالاستیک جریان یابند، در دماهای پایین واکنش‌های تعویض پیوند به‌شدت 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 سه‌بعدی محکم‌تر، چقرمه‌تر، مقاوم در برابر حلال به طور مستقیم قابل چاپ مجدد و قابل‌جداسازی از ضایعات پلاستیک طبقه‌بندی نشده را تولید کرد. ازاین‌رو این مطالعه رویکردی به‌زودی قابل‌پذیرش 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 سه‌بعدی ارزش می‌دهد. این روش به‌سادگی مقیاس‌پذیر و قابل‌قبول، 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 فرایند ساده برای نوسازی یک کالای پلاستیکی به مواد مستحکم‌تر سازگار با روش‌های چاپ سه‌بعدی صنعتی است.
اکریلونیتریل‌بوتادین‌استایرن در چاپ سه بعدی
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 fa brication) است که یکی از پرکاربردترین روش‌های چاپ سه‌بعدی است. نسخه نوسازی شده از استحکام، چقرمگی و مقاومت شیمیایی افزایش‌یافته برخوردار است، درحالی‌که 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 روبه‌رشد انباشت ضایعات پلاستیکی در جهان ایفا می‌کند. تقریباً 400 میلیون تن ضایعات پلاستیکی هر سال تولید می‌شود که عمدتاً به‌عنوان اقلام یک‌بارمصرف در محل‌های دفن ضایعات یا محیط‌زیست 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 افزایش‌یافته و خواص مواد روبه‌زوال ناشی از بازیافت، به بررسی‌های اساسی نیاز خواهیم داشت. "هدف ما ایجاد یک استراتژی به‌راحتی قابل‌قبول بود که از ضایعات پلاستیکی برای به‌وجودآوردن مواد باارزش‌تر به‌جای تولید پلاستیک دست‌اول استفاده مجدد می‌کند."
این تیم ساخت افزایشی را هدف قرارداد که منبعی کارآمدتر از ساخت مرسوم است و می‌تواند به ساختارهای سه‌بعدی 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 درحال‌توسعه و قابل‌بازیافت 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 گرم شده اکسترود یا رانده شوند تا رشته‌های ساختارهای سه‌بعدی را درحالی‌که لایه به لایه ساخته می‌شوند، مانند سیم‌پیچی یک طناب، تشکیل دهند. همانند یک ماده ترموپلاستیک که به گرما واکنش نشان می‌دهد، ABS برای این فرایند خوب عمل می‌کند زیرا می‌تواند به‌راحتی جریان یابد و به‌سرعت سخت می‌شوند و به ساختارهای محکم و سفت تبدیل شود. اما، نقاط ضعف ذاتی در این روش که رشته‌ها روی‌هم 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 شده‌اند.
این تیم شیمی «کلیک» برای تبدیل ترکیب شیمیایی ABS به ویترین، 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 باحرارت پخت می‌شوند.
نتایج نشان می‌دهد که ABS بازیافت شده تقریباً دوبرابر چقرمگی و استحکام ABS استاندارد، به همراه مقاومت افزایش‌یافته در برابر حلال را حاصل کرد.
محققان استحکام فشاری عالی این ماده را با ساختارهای هندسی پرینت سه‌بعدی 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 به‌راحتی 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، درحالی‌که تمام سایر پلاستیک‌ها از جمله ABS کاملاً حل شدند.
Kim گفت: «این رویکرد فوق‌العاده تطبیق‌پذیر است. ABS نوساز شده بهبودیافته را می‌توان بارهاوبارها برای FFF با حداقل ازدست‌دادن خواص استفاده کرد. همچنین می‌تواند با ABS مخلوط و استاندارد ترکیب شود و مستقیماً به‌عنوان 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 به‌راحتی 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 باارزش و عملکرد بالاتر، را نشان داد درحالی‌که فقط از ضایعات پلاستیکی موجود در یکی از دردسترس‌ترین مناطق ساخت افزایشی استفاده می‌کند.»
مقاله ژورنال با عنوان «ساخت افزایشیِ (additive manufacturing) (چاپ سه‌بعدی) حلقه بسته (closed-loop) پلاستیک مصرفی نوساز شده (upcycled) توسط پیوند عرضی دینامیک» منتشر شده است.
منابع و مراجع
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220613140727.htm