Als bio-ingenieurs basisplastic kunnen opwaarderen tot materialen met een hogere prestatie, kunnen ze duurzame productie in een gesloten kringloop tot stand brengen met bredere industriële en milieuvoordelen. Upcycled kunststoffen kunnen bijvoorbeeld opnieuw worden verwerkt om op maat ontworpen structuren te vormen via een energie-hulpbron-efficiënt additief fabricagecircuit op basis van gefuseerde filamentfabricage (de FFF-methode). In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , hebben Sungjin Kim en een team van onderzoekers op het gebied van scheikunde, materiaalkunde en interdisciplinair onderzoek van het Oak Ridge National Laboratory en de University of Tennessee, VS, een circulair model geïntroduceerd om een ​​prominente thermoplast, bekend als acrylonitril-butadieenstyreen (ABS), te upcyclen. Het team upcycled het materiaal tot een recyclebaar en robuust covalent netwerk, dat opnieuw kan worden bedrukt via de fabricage van gesmolten filament. Het proces overwon de grote uitdagingen van het opnieuw printen van verknoopte materialen om sterke, taaie en oplosmiddelbestendige 3D-objecten te produceren, gescheiden van ongesorteerd plastic afval. De resultaten bieden een aanpasbare aanpak voor geavanceerde productie van circulaire kunststoffen.

Een circulaire plastic economie

De plasticproductie heeft een aanzienlijke stijging bereikt van 2,13% in 2013 tot een verwachte 16% van de netto wereldwijde koolstofemissie in 2050. In het beste geval streven onderzoekers daarom naar meer plasticrecycling om de groei van de productievraag te verminderen en koolstofdioxide te verlagen uitstoot met 93%. Door een gesloten kringloop van kunststoffen tot stand te brengen, kunnen ze een netto-nul koolstofemissie bereiken om productiepaden van kunststoffen te ontwikkelen voor de best mogelijke resultaten. Van de bestaande productiemethoden biedt additieve productie de productie van 3D-materialen op aanvraag om plastic afval om te zetten in bruikbare 3D-constructies met betere materiaalprestaties en zo de circulaire plasticeconomie in stand te houden. Het team heeft de methode van fused-filamentfabricage gebruikt voor zijn gebruiksvriendelijke en benaderbare printprotocollen. In dit werk hebben Kim et al. acrylonitril-butadieenstyreen (afgekort als ABS) omgezet in een hoogwaardig vitrimeer met behulp van de techniek van fabricage van volledig gesmolten filament.

Om basisplastic te upcyclen voor herdruktoepassingen, hebben de onderzoekers bestaande methoden voor het ontwikkelen van verknoopte netwerken vervangen door omkeerbare bindingen. Kim et al bereikten dit via associatieve imine-uitwisseling. Door ABS te upcyclen tot ABS-vitrimeer (een klasse van hernieuwbare kunststoffen), verbeterden ze met name de thermomechanische en chemische robuustheid van het materiaal. Het vitrimeer vertoonde een multipath-recyclebaarheid, naast verbeterde interfilamentbinding en weerstand tegen oplosmiddelen. Ze deconstrueerden het vitrimeerafval via oplossing en herdrukten ze met behulp van de full-filament fabricagemethode om bruikbare 3D-structuren te vormen, waarbij kunststoffen werden opgelost en upcycled in een waardeverhogende cyclus. Het proces verminderde de uitstoot van kooldioxide-equivalent met ten minste 65% in vergelijking met verbranding, wat een gemakkelijk aanpasbare benadering voor de productie van circulaire kunststoffen vertegenwoordigt.

Eenstapsmodificatie en meerdere stappen voor productkarakterisering

Op deze manier hebben Kim et al. het ABS geüpcycled tot een FFF-afdrukbaar vitrimeer waarin de oorspronkelijke verbinding taai en taai was met onverzadigde dubbele bindingen die na functionalisering konden worden gewijzigd. Het team implementeerde vervolgens thiol-een "klik" -chemie om de bestanddelen van het construct te functionaliseren, om het ABS-vitrimeer te produceren. Ze observeerden de reacties via nucleaire magnetische resonantie en Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie. De producten waren bestand tegen oplosmiddelen voor een reeks oplosmiddelen, waaronder acetonchloroform, tetrahydrofuran en dichloormethaan. De wetenschappers beoordeelden de mechanische eigenschappen van de constructies via trekproeven, naast visco-elasticiteit en verwerkbaarheid bij hogere temperaturen, terwijl ze de thermomechanische stabiliteit van de producten verbeterden.

Recyclebaarheid van plastic producten en het proces van volledige filamentfabricage (FFF)

Het onderzoeksteam bepaalde de recycleerbaarheid van het product via dynamische mechanische analyse en trekproeven op de monsters, waarbij de resultaten bijna identieke opslagmoduli vertoonden voor vier individuele monsters na drie keer recyclen om een ​​goede herstelbaarheid van elasticiteit aan te geven. De wetenschappers toonden ook de mogelijkheid aan om verknoopt ABS-vitrimeer op te werken; om ze te recyclen door ze opnieuw te verwarmen zonder gebruik te maken van oplosmiddelen of additieven om het netwerk te scheiden en herdrukbaarheid mogelijk te maken.

De FFF-methode voor de bedrukbaarheid van vitrimeer maakte snelle uitwisselingskinetiek en kneedbaarheid met mechanische integriteit mogelijk om op zichzelf staande structuren te ontwikkelen. De methode maakte een verbeterde tussenlaagintegratie mogelijk voor verbeterde sterkte. Toen Kim et al. het product onderdompelden in tetrahydrofuran, waren de monsters bestand tegen oplosmiddelen, wat wijst op verknoping door de gelaagde structuur. De techniek leidde tot eenvoudige monsterscheiding uit afvalmengsels voor kant-en-klare recycling- en upcyclingprocessen. De wetenschappers merkten een superieure specifieke energieabsorptie op voor de bio-geïnspireerde upcycled ABS-vitrimeren, wat een verbeterde structurele sterkte oplevert met een lager materiaalverbruik tijdens het productieproces in vergelijking met conventionele routes. Het werk benadrukte de mogelijkheid om FFF-afdrukbare vitrimeren en composieten te ontwikkelen voor toepassingen in robotica, elektronica en therapieën in de biogeneeskunde.

Vooruitzichten:recyclebare kunststoffen voor duurzaamheid

Op deze manier presenteerden Sungjin Kim en collega's hun bevindingen om afvalplastic te upcyclen tot uitgebreide 3D-geprinte, robuuste en recyclebare cross-linked materialen. De strategie is van toepassing op basisthermoplasten om meerdere waardeverhogende circulaire modellen op te zetten. Deze benadering van het gebruik van een additieve productiemethode om basiskunststoffen te upcyclen om materialen met hoogwaardigere structuren te ontwikkelen, biedt een commercieel en ecologisch haalbare strategie voor aanvaardbare circulaire productie met een gesloten kringloop. De resultaten van het upcyclen van kunststoffen zullen aanzienlijke langetermijneffecten hebben in industriële toepassingen, de gezondheidszorg en een robuuste milieustrategie opleveren. + Verder verkennen

Gesloten additieve productie op basis van upcycled plastic

© 2022 Science X Network