چاپ سه بعدی که با استفاده از پلاستیک ضایعاتی به‌روز شده تولید می‌شود

13 ژوئن 2022توسط اشلی سی هاف، آزمایشگاه ملی اوک ریج

یک استراتژی ORNL برای زباله‌های پلاستیکی چرخش‌شده، مواد قابل چاپ و با کارایی بالا را برای پیشبرد تولید افزودنی ارائه می‌دهد. اعتبار: Genevieve Martin/ORNL، وزارت انرژی ایالات متحده

محققان در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در وزارت انرژی، یک رویکرد upcycling ایجاد کرده‌اند که به پلاستیک‌های دور ریخته شده برای استفاده مجدد در تولید مواد افزودنی یا چاپ سه‌بعدی ارزش می‌افزاید. روش مقیاس پذیر و قابل پذیرش، یک استراتژی حلقه بسته را معرفی می کند که می تواند زباله های پلاستیکی را در سطح جهانی کاهش دهد و انتشار کربن مرتبط با تولید پلاستیک را کاهش دهد.

نتایج منتشر شده در Science Advances جزئیات فرآیند ساده چرخش یک پلاستیک کالا به مواد مستحکم‌تر سازگار با روش‌های چاپ سه بعدی صنعتی را شرح می‌دهد.

این تیم اکریلونیتریل بوتادین استایرن یا ABS را ارتقا دادند، یک ترموپلاستیک محبوب که در اشیاء روزمره از قطعات خودرو گرفته تا توپ های تنیس و بلوک های لگو یافت می شود. ABS یک ماده اولیه رایج برای ساخت فیلامنت ذوب شده یا FFF است که یکی از پرکاربردترین روش های چاپ سه بعدی است. نسخه ارتقا یافته دارای استحکام، چقرمگی و مقاومت شیمیایی افزایش یافته است، که آن را برای FFF جذاب می کند تا برنامه های کاربردی جدید و با کارایی بالاتری را که با ABS استاندارد قابل دستیابی نیستند، برآورده کند.

افزایش چرخه پلیمری نقش مهمی در مقابله با چالش رو به رشد انباشت زباله های پلاستیکی در جهان ایفا می کند. تقریباً 400 میلیون تن زباله پلاستیکی در سال تولید می شود که عمدتاً به عنوان اقلام یک بار مصرف در محل دفن زباله یا محیط زیست به پایان می رسد. در سطح جهان، کمتر از 10 درصد زباله های پلاستیکی بازیافت می شوند.

تومونوری سایتو، نویسنده اصلی بخش علوم شیمی ORNL، می گوید: “ما برای غلبه بر چالش های افزایش هزینه ها و بدتر شدن خواص مواد مرتبط با بازیافت، به اکتشافات اساسی نیاز داریم.” “هدف ما توسعه یک استراتژی آسان برای استفاده مجدد از زباله های پلاستیکی برای ایجاد مواد ارزشمندتر به جای تولید پلاستیک تازه بود.”

این تیم تولید مواد افزودنی را هدف قرار داد، که نسبت به تولید معمولی کارآمدتر از منابع است و می تواند به ساختارهای سه بعدی مفید و پیچیده ای دست یابد که تولید آنها با قالب گیری یا ریخته گری دشوار است. FFF با نزدیک به 70 درصد از بازار جهانی بیشترین سهم را از این صنعت به خود اختصاص می دهد.

Sungjin Kim از ORNL گفت: «توسعه مواد جدید و قابل بازیافت با ویژگی‌های برتر برای FFF فرصت‌هایی را ایجاد می‌کند تا تأثیر زیادی بر تولید پلاستیک بگذارد و قابلیت‌های تولید افزودنی را گسترش دهد که پتانسیل کاهش ردپای کربن ما را دارد.

چاپ FFF به موادی نیاز دارد که بتوان آنها را از طریق یک نازل گرم شده اکسترود کرد یا فشار داد تا رشته‌های ساختارهای سه بعدی را تشکیل دهند که لایه به لایه ساخته می‌شوند، مانند سیم پیچی کردن یک طناب. به عنوان یک ماده ترموپلاستیک که به گرما پاسخ می دهد، ABS برای این فرآیند خوب عمل می کند زیرا می تواند به راحتی جریان یابد و به سرعت به ساختارهای محکم و سفت تبدیل شود. با این حال، نقاط ضعف ذاتی در نحوه قرار گرفتن و اتصال رشته ها به یکدیگر وجود دارد. توسعه مواد اولیه جدید با ویژگی‌های برتر می‌تواند برنامه‌های کاربردی با کارایی بالا برای FFF را ارتقا دهد، اما طراحی این مواد دشوار بوده است.

این تیم شیمی «کلیک» را برای تبدیل ترکیب شیمیایی ABS به ویتریمر، نوعی پلیمر که قابلیت پردازش و بازیافت ترموپلاستیک ها را با خواص مکانیکی برتر ترموست ها، مانند اپوکسی، که معمولاً با FFF سازگار نیستند، ترکیب می کند، به کار بردند. در این سنتز از ترکیبات پزشکی در دسترس استفاده می شود که در یک مرحله در شرایط ملایم مخلوط می شوند و سپس با گرما پخت می شوند.

نتایج نشان می‌دهد که ABS چرخش‌شده تقریباً دو برابر چقرمگی و استحکام ABS استاندارد، با افزایش مقاومت در برابر حلال است.محققان استحکام فشاری عالی این ماده را با ساختارهای هندسی پرینت سه بعدی پیچیده که بر روی بال‌های سوسک مدل‌سازی شده‌اند، نشان دادند.

سایتو می‌گوید: «مقاومت در برابر حلال ارزش افزوده دارد زیرا به ما امکان می‌دهد ABS اصلاح‌شده را از زباله‌های پلاستیکی مخلوط و طبقه‌بندی نشده که معمولاً در سناریوهای بازیافت با آن‌ها مواجه می‌شوند، به راحتی جدا کنیم.»

این تیم ضایعات پلاستیکی مخلوط را در حلال‌های مختلف حل کردند و در هر آزمایش ABS چرخه‌ای شده ساختار خود را حفظ کرد، در حالی که سایر پلاستیک‌ها از جمله ABS کاملاً حل شدند.

کیم گفت: «رویکرد فوق العاده همه کاره است. ABS بازیابی شده را می توان بارها و بارها برای FFF با حداقل از دست دادن خواص استفاده کرد. همچنین می توان آن را با ABS مخلوط و استاندارد ترکیب کرد و مستقیماً به عنوان یک ترکیب چاپ کرد.

رویکرد چند مسیری هم بازیافت و هم بازچرخانی زباله های ABS مخلوط حاوی هر ترکیبی از ABS استاندارد، upcycled یا مخلوط را امکان پذیر می کند. همه با FFF سازگار هستند و نیازی به جداسازی قبل از چاپ مجدد ندارند، اما جداسازی می تواند به راحتی انجام شود تا مجموعه ای از مواد مفید برای کاربردهای تولیدی گسترده ارائه شود.

این تلاش یک حلقه بسته را برای تولید اقلام پلاستیکی، به طور بالقوه با ارزش و عملکرد بالاتر، با استفاده از تنها زباله های پلاستیکی موجود در یکی از در دسترس ترین محصولات، نشان می دهد.