Upcycling af plast gennem dynamisk tværbinding

Hvis bioingeniører kan opgradere råvareplast til materialer med høj ydeevne, kan de etablere vedvarende lukket kredsløbsproduktion med bredere industrielle og miljømæssige fordele. For eksempel kan upcycled plast genbehandles for at danne specialdesignede strukturer via et energiressourceeffektivt additivt fremstillingskredsløb baseret på smeltet filamentfremstilling (FFF-metoden). I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Sungjin Kim og et team af forskere inden for kemi, materialevidenskab og tværfaglig forskning ved Oak Ridge National Laboratory og University of Tennessee, U.S., introducerede en cirkulær model til at upcycle en fremtrædende termoplast kendt som acrylonitrilbutadienstyren (ABS). Teamet upcyclede materialet til et genanvendeligt og robust kovalent netværk, der kunne genudskrives via smeltet filamentfremstilling. Processen overvandt store udfordringer med at genprinte tværbundne materialer for at producere stærke, seje og opløsningsmiddelbestandige 3D-objekter adskilt fra usorteret plastikaffald. Resultaterne giver en tilpasningsdygtig tilgang til avanceret fremstilling af cirkulær plast.

En cirkulær plastikøkonomi

Plastproduktionen har nået en markant stigning fra 2,13 % i 2013 til en forventet 16 % af den globale nettoudledning af kulstof i 2050. Som et bedste scenario sigter forskerne derfor efter at øge plastgenanvendelsen for at reducere væksten i produktionsefterspørgslen og sænke kuldioxiden. emission med 93%. Ved at etablere en lukket kredsløb af plastik kan de opnå netto-nul kulstofemission for at udvikle fremstillingsveje for plast for de bedst mulige resultater. Af de eksisterende fremstillingsmetoder giver additiv fremstilling 3D-materialeproduktion efter behov for at konvertere plastikaffald til nyttige 3D-konstruktioner med bedre materialeydelse og derved opretholde den cirkulære plastøkonomi. Holdet inkorporerede metoden til fremstilling af smeltede filamenter for dets brugervenlige og tilgængelige udskrivningsprotokoller. I dette arbejde konverterede Kim et al acrylonitril-butadienstyren (forkortet som ABS) til en højtydende vitrimer ved at bruge teknikken til fremstilling af fuld smeltet filament.

For at opgradere råvareplast til genudskrivningsapplikationer erstattede forskerne eksisterende metoder til udvikling af tværbundne netværk med reversible bindinger. Kim et al opnåede dette via associativ iminudveksling. Ved at opgradere ABS til ABS-vitrimeren (en klasse af vedvarende plast), forbedrede de især materialets termomekaniske og kemiske robusthed. Vitrimeren viste multipath-genanvendelighed sammen med forbedret interfilamentbinding og opløsningsmiddelresistens. De dekonstruerede vitrimeraffaldet via opløsning og genprintede dem ved hjælp af fuldfilamentfremstillingsmetoden for at danne nyttige 3D-strukturer, opløse og genbruge plast i en værdiforøgende cyklus. Processen reducerede kuldioxidækvivalentemissioner med mindst 65 % sammenlignet med forbrænding, hvilket repræsenterer en let tilpasningsbar cirkulær plastfremstillingstilgang.

Et-trins ændring og flere trin i produktkarakterisering

På denne måde opcyklede Kim et al. ABS'en til en FFF-printbar vitrimer, hvor den oprindelige forbindelse var duktil og sej med umættede dobbeltbindinger, der kunne ændres efter funktionalisering. Holdet implementerede derefter thiol-en "klik"-kemi for at funktionalisere bestanddele af konstruktionen for at producere ABS-vitrimeren. De observerede reaktionerne via kernemagnetisk resonans og Fourier-transformation infrarød spektroskopi. Produkterne var opløsningsmiddelresistente over for en række opløsningsmidler, herunder acetonechloroform, over for tetrahydrofuran og dichlormethan. Forskerne vurderede de mekaniske egenskaber af konstruktionerne via træktests, sammen med viskoelasticitet og forarbejdelighed ved højere temperaturer, mens de forbedrede produkternes termomekaniske stabilitet.

Genanvendelighed af plastprodukter og processen med fuld filamentfremstilling (FFF)

Forskerholdet bestemte genanvendeligheden af ​​produktet via dynamisk mekanisk analyse og træktest på prøverne, hvor resultaterne viste næsten identiske opbevaringsmoduler for fire individuelle prøver efter tre genanvendelser for at indikere god genvindelighed af elasticitet. Forskerne viste også muligheden for at oparbejde tværbundet ABS-vitrimer; at genbruge dem ved genopvarmning uden brug af opløsningsmidler eller tilsætningsstoffer for at adskille netværket og muliggøre genprintbarhed.

FFF-metoden til vitrimer printbarhed muliggjorde hurtig udvekslingskinetik og formbarhed med mekanisk integritet for at udvikle selvstående strukturer. Metoden tillod forbedret mellemlagsintegration for øget styrke. Da Kim et al nedsænkede produktet i tetrahydrofuran, var prøverne opløsningsmiddelresistente, hvilket indikerer tværbinding gennem hele den lagdelte struktur. Teknikken førte til nem prøveseparering fra affaldsblandinger til klar genbrugs- og upcycling processer. Forskerne bemærkede overlegen specifik energiabsorption for de bioinspirerede upcyclede ABS-vitrimerer, hvilket giver øget strukturel styrke med reduceret materialeforbrug under fremstillingsprocessen sammenlignet med konventionelle ruter. Arbejdet understregede muligheden for at udvikle FFF-printbare vitrimerer og kompositter til applikationer på tværs af robotteknologi, elektronik og terapier inden for biomedicin.

Outlook:Genanvendelig plast for bæredygtighed

På denne måde præsenterede Sungjin Kim og kolleger deres resultater for at opgradere affaldsplastik til omfattende 3D-printede, robuste og genanvendelige tværbundne materialer. Strategien gælder for råvaretermoplast for at etablere flere værdiforøgende cirkulære modeller. Denne tilgang med at bruge en additiv fremstillingsmetode til at opgradere råvareplast til at udvikle materialer med højere værdistrukturer giver en kommercielt og miljømæssigt bæredygtig strategi for brugbar lukket kredsløbsfremstilling. Resultaterne af upcycling af plast vil have betydelige langsigtede virkninger i industrielle applikationer, sundhedspleje og give en robust miljøstrategi. + Udforsk yderligere

Additivfremstilling i lukket kredsløb drevet af genbrugsplastik

© 2022 Science X Network