Если биоинженеры смогут перерабатывать обычные пластмассы в материалы с более высокими характеристиками, они смогут наладить устойчивое производство с замкнутым циклом с более широкими промышленными и экологическими преимуществами. Например, переработанные пластмассы могут быть переработаны для создания конструкций, разработанных по индивидуальному заказу, с помощью энергосберегающего аддитивного производственного контура, основанного на изготовлении плавленых нитей (метод FFF). В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Сунгджин Ким и группа исследователей в области химии, материаловедения и междисциплинарных исследований из Национальной лаборатории Ок-Риджа и Университета Теннесси, США, представили круговую модель для вторичной переработки известного термопластика, известного как акрилонитрилбутадиенстирол(АБС). Команда переработала материал в пригодную для повторного использования и прочную ковалентную сеть, которую можно повторно напечатать путем изготовления плавленых нитей. Этот процесс позволил решить серьезные проблемы повторной печати сшитых материалов для создания прочных, прочных и устойчивых к растворителям трехмерных объектов отдельно от несортированных пластиковых отходов. Результаты обеспечивают адаптируемый подход к передовому производству круглых пластмасс.
Круговая пластиковая экономика
Производство пластика достигло значительного роста с 2,13% в 2013 году до прогнозируемых 16% чистых глобальных выбросов углерода к 2050 году. Поэтому в лучшем случае исследователи стремятся увеличить переработку пластика, чтобы снизить рост производственного спроса и снизить выбросы углекислого газа . эмиссия на 93% . Создав замкнутый цикл обращения пластмасс, они могут добиться нулевых выбросов углерода, чтобы разработать пути производства пластмасс для достижения наилучших результатов. Из существующих методов производства аддитивное производство обеспечивает производство 3D-материалов по запросу для преобразования пластиковых отходов в полезные 3D-конструкции с лучшими характеристиками материала и, таким образом, поддерживает круговую экономику пластмасс.. Команда включила метод изготовления плавленых нитей для его удобных и доступных протоколов печати . В этой работе Ким и др. преобразовали акрилонитрил-бутадиен-стирол (сокращенно ABS) в высокоэффективный витример , используя технику изготовления полностью сплавленных нитей.
Разработка витримеров: интересный класс возобновляемых пластиков
Чтобы перерабатывать товарный пластик для повторной печати, исследователи заменили существующие методы разработки сшитых сетей обратимыми связями. Ким и др. добились этого с помощью ассоциативного обмена иминами . Перерабатывая АБС в витример АБС (класс возобновляемых пластиков), они значительно улучшили термомеханическую и химическую устойчивость материала. Витример продемонстрировал способность к многократной переработке, наряду с улучшенным сцеплением между нитями и устойчивостью к растворителям. Они деконструировали отходы витримера путем растворения и перепечатали их, используя метод изготовления полных нитей, чтобы сформировать полезные трехмерные структуры, растворяя и перерабатывая пластмассы в цикле повышения ценности. Процесс сократил выбросы в эквиваленте углекислого газа не менее чем на 65% по сравнению со сжиганием, представляющий легко адаптируемый подход к производству круглых пластиков.
Одноэтапная модификация и многоэтапная характеристика продукта
Таким образом, Ким и др. переработали АБС-пластик в витример, пригодный для печати методом FFF, в котором исходное соединение было пластичным и прочным с ненасыщенными двойными связями, которые можно было изменить после функционализации. Затем команда применила тиол-еновый «щелчок» для функционализации компонентов конструкции для производства ABS-витримера. Они наблюдали реакции с помощью ядерного магнитного резонанса и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье . Продукты были устойчивы к ряду растворителей, включая ацетон, хлороформ, тетрагидрофуран и дихлорметан .. Ученые оценили механические свойства конструкций с помощью испытаний на растяжение, наряду с вязкоупругостью и технологичностью при более высоких температурах, а также улучшили термомеханическую стабильность изделий.
Возможность вторичной переработки пластиковых изделий и процесс полного изготовления нитей (FFF)
Исследовательская группа определила возможность вторичной переработки продукта с помощью динамического механического анализа и испытаний образцов на растяжение, где результаты показали почти идентичные модули упругости для четырех отдельных образцов после трех повторных циклов, что указывает на хорошую способность к восстановлению эластичности. Ученые также показали возможность переработки сшитого АБС-витримера; чтобы перерабатывать их путем повторного нагревания без использования растворителей или добавок для диссоциации сети и обеспечения возможности повторной печати.
Метод ФФФ
Метод FFF печати из витримера позволил получить кинетику быстрого обмена и пластичность с механической целостностью для разработки самостоятельных структур. Этот метод позволил улучшить межслойную интеграцию для повышения прочности. Когда Ким и др. погрузили продукт в тетрагидрофуран, образцы оказались устойчивыми к растворителям, что указывает на сшивание по всей слоистой структуре. Этот метод позволил легко отделить образцы от смесей отходов для готовых процессов переработки и повторного использования. Ученые отметили превосходное поглощение удельной энергиидля биоинспирированных переработанных АБС-витримеров, обеспечивающих повышенную структурную прочность при меньшем расходе материалов в процессе производства по сравнению с обычными способами. В работе подчеркивалась возможность разработки витримеров и композитов, пригодных для печати методом FFF, для применения в робототехнике, электронике и терапии в биомедицине.
Перспективы: перерабатываемые пластмассы для устойчивого развития
Таким образом, Сунгджин Ким и его коллеги представили свои результаты по переработке пластиковых отходов в сложные, прочные и пригодные для вторичной переработки сшитые материалы, напечатанные на 3D-принтере. Стратегия применяется к товарным термопластам для создания нескольких циклических моделей, повышающих ценность. Этот подход, заключающийся в использовании метода аддитивного производства для вторичной переработки товарных пластиков для разработки материалов с более ценной структурой, обеспечивает коммерчески и экологически жизнеспособную стратегию для внедрения замкнутого циклического производства. Результаты вторичной переработки пластмасс окажут значительное долгосрочное влияние на промышленное применение, здравоохранение и станут надежной экологической стратегией.
Теги: биотехнологии, пластик, принтер, экология
