Conception d'un modèle circulaire d'upcycling de thermoplastiques en vitrimère recyclable pour FFF. (A) Diagramme schématique comparant les caractéristiques des thermoplastiques traditionnels, des thermodurcissables et des vitrimères. (B) Illustration schématique de la conception circulaire des thermoplastiques recyclés en vitrimère FFF-(ré)imprimable. Les réticulations covalentes dynamiques dans le vitrimère se réarrangent facilement pour permettre la (ré)impression FFF à haute température tout en améliorant la résistance des interfilaments et la stabilité des solvants des impressions. Les photographies montrent des structures imprimées à partir de l'ABS non traité (Neat-ABS) (à gauche) et de l'ABS-vitrimer (à droite) d'un bâtiment (en haut) et d'une feuille de chêne avant (au milieu) et après (en bas) immersion dans du tétrahydrofurane (THF) pendant 48 heures. L'ABS-vitrimer a conservé sa structure, tandis que l'ABS pur s'est complètement dissous. Ainsi, ABS-vitrimer et Neat-ABS peuvent être recyclés par séparation et dissolution-précipitation, respectivement, à partir de leur solution de mélange de déchets, à partir de laquelle le Neat-ABS dissous peut être recyclé en ABS-vitrimer (discussion détaillée dans une section ultérieure) . Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abn6006
Si les bio-ingénieurs peuvent recycler les plastiques de base en matériaux plus performants, ils peuvent établir une fabrication en boucle fermée durable avec des avantages industriels et environnementaux plus larges. Par exemple, les plastiques recyclés peuvent être retraités pour former des structures conçues sur mesure via un circuit de fabrication additive économe en énergie basé sur la fabrication de filaments fondus (méthode FFF). Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Sungjin Kim et une équipe de chercheurs en chimie, en science des matériaux et en recherche interdisciplinaire au Laboratoire national d'Oak Ridge et à l'Université du Tennessee, aux États-Unis, ont présenté un modèle circulaire pour recycler un thermoplastique connu sous le nom d'acrylonitrile butadiène styrène (ABS). L'équipe a recyclé le matériau dans un réseau covalent recyclable et robuste, réimprimable via la fabrication de filaments fusionnés. Le processus a surmonté les défis majeurs de la réimpression de matériaux réticulés pour produire des objets 3D solides, résistants et résistants aux solvants, séparés des déchets plastiques non triés. Les résultats fournissent une approche adaptable pour la fabrication avancée de plastiques circulaires.
Une économie circulaire du plastique
La production de plastique a atteint une augmentation significative de 2,13 % en 2013 à 16 % des émissions mondiales nettes de carbone d'ici 2050. Dans le meilleur des cas, les chercheurs visent donc à augmenter le recyclage du plastique pour réduire la croissance de la demande de production et réduire le dioxyde de carbone. émissions de 93 %. En établissant une circulation en boucle fermée des plastiques, ils peuvent atteindre une émission nette de carbone nulle pour développer des voies de fabrication de plastiques pour les meilleurs résultats possibles. Parmi les méthodes de fabrication existantes, la fabrication additive fournit une production de matériaux 3D à la demande pour convertir les déchets plastiques en constructions 3D utiles avec de meilleures performances matérielles et ainsi maintenir l'économie circulaire des plastiques. L'équipe a incorporé la méthode de fabrication de filaments fusionnés pour ses protocoles d'impression conviviaux et accessibles. Dans ce travail, Kim et al ont converti l'acrylonitrile butadiène styrène (en abrégé ABS) en un vitrimère haute performance en utilisant la technique de fabrication de filaments entièrement fusionnés.
Voie d'upcycling chimique pour synthétiser l'ABS avec des réticulations dynamiques d'imines et leurs propriétés mécaniques adaptées. (A) Le Neat-ABS a été modifié pour contenir des groupes amine via une réaction thiol-ène de cystéamine avec des groupes butadiène à 60 ° C en utilisant de l'azobisisobutyronitrile (AIBN) comme initiateur. (B) L'ABS modifié a subi la réaction de formation d'imine avec du glutaraldéhyde à l'état de solution, séché puis durci à 150°C. (C) Courbes de contrainte-déformation de traction de Neat, ALD-0, ALD-08, ALD-17, ALD-33, ALD-66 et ALD-124. Comparaison de la ténacité (D) (l'encart est une photo d'échantillons ALD-08, ALD-17 et ALD-33 synthétisés avec différentes saturations de couleur) et (E) UTS des spécimens en (C). Les barres d'erreur indiquent les SD d'au moins des mesures en triple. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abn6006
Afin de recycler les plastiques de base pour les applications de réimpression, les chercheurs ont remplacé les méthodes existantes de développement de réseaux réticulés par des liaisons réversibles. Kim et al ont accompli cela via un échange d'imine associatif. En recyclant l'ABS vers l'ABS vitrimer (une classe de plastiques renouvelables), ils ont notamment amélioré la robustesse thermomécanique et chimique du matériau. Le vitrimère a montré une recyclabilité par voies multiples, ainsi qu'une meilleure liaison interfilamentaire et une meilleure résistance aux solvants. Ils ont déconstruit les déchets de vitrimères par dissolution et les ont réimprimés en utilisant la méthode de fabrication de filaments complets pour former des structures 3D utiles, en dissolvant et en recyclant les plastiques dans un cycle de valorisation. Le processus a réduit les émissions d'équivalent dioxyde de carbone d'au moins 65 % par rapport à l'incinération, ce qui représente une approche de fabrication de plastique circulaire facilement adaptable.
Aptitude au traitement et comportement viscoélastique de l'ABS-vitrimer. (A) Schémas décrivant la (re) transformabilité de l'ALD-33. L'ALD-33 peut être pressé à chaud en un film à 150°C, façonné comme souhaité, séparé et repressé en un film à 150°C. (B) Comportement rhéologique à 150 °C de Neat-ABS et ALD-33 caractérisé par un balayage de fréquence à 1 % de déformation à partir d'un test de cisaillement oscillatoire à petit angle et d'une superposition temps-température (mesurée de 130 ° à 170 °C avec des intervalles de 10 °C , référence T =150°C). (C) Relation d'Arrhenius à partir du temps de relaxation obtenu (τ) à partir des profils de relaxation de contrainte d'ALD-33 (fig. S8). L'Ea déduite est d'environ 151 kJ/mol (voir Matériels et méthodes et tableau S5 pour plus de détails). (D) Analyse mécanique dynamique (DMA) de films ALD-33 lors de trois recyclages (re 1 à 3) en augmentation de la température d'oscillation de 35 ° à 130 °C (amplitude, 20 μm ; fréquence, 1 Hz ; taux de rampe T, 3 °C/min). Notez que des mesures significatives au-dessus de 130 °C n'étaient pas disponibles avec nos configurations d'appareil en raison de la déformation de l'échantillon des systèmes ABS (fig. S12). (E) Le facteur de perte (tan δ =E″/E′) enregistré via la mesure en (D). Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abn6006
Modification en une étape et plusieurs étapes de caractérisation du produit
De cette façon, Kim et al ont recyclé l'ABS en un vitrimère imprimable FFF dans lequel le composé initial était ductile et résistant avec des doubles liaisons insaturées qui pouvaient être modifiées après la fonctionnalisation. L'équipe a ensuite mis en œuvre la chimie du "clic" thiol-ène pour fonctionnaliser les constituants de la construction, afin de produire l'ABS-vitrimer. Ils ont observé les réactions par résonance magnétique nucléaire et spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Les produits étaient résistants aux solvants pour une gamme de solvants, y compris l'acétone chloroforme, le tétrahydrofurane et le dichlorométhane. Les scientifiques ont évalué les propriétés mécaniques des constructions via des tests de traction, ainsi que la viscoélasticité et la capacité de traitement à des températures plus élevées, tout en améliorant la stabilité thermomécanique des produits.
Recyclabilité des produits en plastique et processus de fabrication de filaments complets (FFF)
L'équipe de recherche a déterminé la recyclabilité du produit via une analyse mécanique dynamique et des tests de traction sur les échantillons, où les résultats ont montré des modules de stockage presque identiques pour quatre échantillons individuels après trois recyclages pour indiquer une bonne capacité de récupération de l'élasticité. Les scientifiques ont également montré la possibilité de retraiter l'ABS-vitrimer réticulé; de les recycler par réchauffage sans utiliser de solvants ni d'additifs pour dissocier le réseau et permettre la réimpression.
Recyclage des déchets ABS en précurseur de transimination via une réaction clic thiol-ène. Le recyclage des déchets ABS usagés via une fonctionnalisation thiol-ène pour fixer des amines pour former des vitrimères pouvant passer par une transimination dynamique. Les parties imprimées défectueuses de Neat-ABS ont été dissoutes dans du THF et ont subi une réaction thiol-ène avec de la cystéamine initiée par AIBN. La solution ayant réagi est devenue une couleur jaune citron pâle, bien cohérente avec notre observation. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abn6006
La méthode FFF d'imprimabilité vitrimère a permis une cinétique d'échange rapide et une malléabilité avec intégrité mécanique pour développer des structures autonomes. Le procédé a permis une intégration intercouche améliorée pour une résistance accrue. Lorsque Kim et al ont immergé le produit dans du tétrahydrofurane, les échantillons étaient résistants aux solvants, indiquant une réticulation dans toute la structure en couches. La technique a permis de séparer facilement les échantillons des mélanges de déchets pour des processus de recyclage et de surcyclage faciles. Les scientifiques ont noté une absorption d'énergie spécifique supérieure pour les vitrimères ABS recyclés bio-inspirés, conférant une résistance structurelle améliorée avec une consommation de matériaux réduite pendant le processus de fabrication par rapport aux voies conventionnelles. Les travaux ont mis l'accent sur la possibilité de développer des vitrimères et des composites imprimables FFF pour des applications dans la robotique, l'électronique et les thérapies en biomédecine.
FFF d'ABS-vitrimères. (A) Conception assistée par ordinateur (CAO) d'un spécimen de traction en os de chien à une seule couche imprimé dans le chemin transversal. (B) Courbes de contrainte-déformation en traction et (C) UTS d'échantillons imprimés transversaux en Neat-ABS et ALD-33. (D) Le CAD, (E) les courbes de contrainte-déformation en traction et (F) l'UTS des spécimens imprimés longitudinalement. (G) Images de microscopie électronique à balayage (SEM) montrant les bords des spécimens imprimés transversalement. (H) Résistance aux solvants d'une structure de feuille de chêne imprimée FFF (0,3 g) pendant 24 heures dans du THF (10 ml) à température ambiante. Le Neat-ABS bleu a été utilisé pour une meilleure comparaison visuelle. (I) Séparation de l'ABS-vitrimer de son mélange de déchets non triés avec Neat-ABS et Styrofoam par dissolution dans du THF suivie d'une décantation. (J) Les déchets de Neat-ABS, ABS-vitrimer ou leurs mélanges recyclés dans des paniers imprimés en 3D avec différentes couleurs en itérant les mêmes protocoles FFF. (K) Les courbes de force de compression-déplacement de la masse unitaire (Fload/mspecimen) des structures inspirées des ailes antérieures des coléoptères imprimées à partir de Neat-ABS et ALD-33. (L) Absorption d'énergie spécifique (SEA) et (M) le rendement Fload/mspecimen au déplacement d'environ 0,4 mm en (K). La zone ombrée indique la gamme SEA typique d'une structure entièrement remplie de Neat-ABS. Les barres d'erreur indiquent les SD à partir de mesures en triple. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abn6006
Perspectives :plastiques recyclables pour la durabilité
De cette façon, Sungjin Kim et ses collègues ont présenté leurs découvertes pour recycler les déchets plastiques en matériaux réticulés élaborés imprimés en 3D, robustes et recyclables. La stratégie s'applique aux thermoplastiques de base pour établir de multiples modèles circulaires à valeur ajoutée. Cette approche consistant à utiliser une méthode de fabrication additive pour recycler les plastiques de base afin de développer des matériaux avec des structures de plus grande valeur fournit une stratégie commercialement et écologiquement viable pour la fabrication circulaire en boucle fermée adoptable. Les résultats du recyclage des plastiques auront des impacts significatifs à long terme dans les applications industrielles, les soins de santé et fourniront une stratégie environnementale robuste.
© 2022 Réseau Science X Fabrication additive en boucle fermée alimentée par du plastique recyclé
