2025年首篇增材Nature正刊:3D打印材料研究与过程控制新突破!
热固性塑料发生化学交联反应
英国伯明翰大学开发了可重复使用光固化树脂
在研究可循环使用的新型热固性树脂过程中,康奈尔大学的研究人员选取了生物来源的单体2,3-二氢呋喃(DHF)作为关键原料。他们通过开环易位聚合(ROMP)和阳离子聚合两步反应,使DHF单体发生交联,从而生成热固性材料。
第一次聚合反应通过打开环状单体并将它们连接起来,形成了一种柔韧的长链结构,这种材料可以通过加热实现化学回收,并且能够通过酸进行降解。需要指出的是,并不是所有的DHF都会在第一次聚合中被消耗掉,剩余的DHF对于在后续聚合中增强材料的韧性至关重要。在第二步中,DHF单体相互连接并与第一次聚合反应的产物连接,形成一种高强度且具有韧性的交联聚合物。这种最终的交联聚合物不仅可以通过加热进行回收,还能在自然环境中逐渐降解。
为了实现材料的可控合成,研究人员巧妙利用了光聚合技术。在反应初期,先进行缓慢的ROMP反应,留下部分未反应的DHF单体。随后,通过光引发剂在光照条件下产生强酸,触发DHF单体的阳离子聚合,实现交联反应。
DHF热固性材料的时空控制
光聚合(3D打印)技术在该研究中发挥了重要作用。这种光控不仅提供了时间上的控制,还通过光掩模实现了空间上的精确控制。通过控制光照时间和强度,以及催化剂的浓度,成功调节了交联密度和聚(c-DHF)的含量,进而获得了具有不同物理性质的热固性材料。
3D打印技术参考认为,该过程可进一步解释为:材料接受到的光线越多,交联作用就越强,材料就越硬;接受到光线较少的部分拉伸性能更高,而材料未接受到光线的部分则完全可以进行化学回收。因此所开发的热固性树脂可具有多样的物理性质,包括软、弹性、热可回收、酸可降解以及刚性和韧性等,而且还可以通过酸水解、热解聚和氧化降解等多种方法,实现选择性、顺序性的降解,降解产物能够重新聚合成新材料,形成了一个闭环的再利用过程。
研究人员表示,DHF热固性材料具有与商用热固性材料相当的性能,包括高密度聚氨酯(例如用于电子仪器、包装和鞋类)和乙丙橡胶(用于花园软管和汽车挡风雨条)。与目前的石化热固性塑料相比,基于DHF的材料具有循环经济性。这种材料可化学回收,可以重新制成其结构单体,并从头开始再次使用。当一些材料不可避免地泄漏到环境中时,这些材料会随着时间的推移降解为无害成分。研究人员正在努力开发应用,包括让DHF基材料可用于更广泛意义上的3D打印。
END
研究可循环使用的热固性塑料具有重要的环境和经济意义,它能够显著减少塑料废弃物对环境的污染,降低对不可再生资源的依赖,同时通过材料的回收和再利用,降低生产成本,提高资源利用效率,推动可持续发展。
本研究所描述的光聚合技术和时空控制能力为3D打印技术的研发提供了新的可能性。通过结合正交聚合机制和光聚合技术,可以开发出具有复杂形状、精确控制和可降解性的新型3D打印材料。这些材料在生物医学、航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用前景。
总之,该研究成果不仅为热固性材料的合成提供了新的方法,也为光聚合3D打印技术的发展提供了新的思路和启示。
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