Если биоинженеры смогут перерабатывать сырьевые пластмассы в материалы с более высокими эксплуатационными характеристиками, они смогут наладить устойчивое производство по замкнутому циклу с более широкими промышленными и экологическими преимуществами. Например, переработанные пластмассы могут быть переработаны для формирования конструкций по индивидуальному заказу с помощью энергосберегающей схемы аддитивного производства, основанной 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 циклическую модель для переработки известного термопластика, известного как акрилонитрилбутадиенстирол (АБС). Команда переработала материал в пригодную для вторичной переработки и прочную ковалентную сеть, которую можно повторно печатать с помощью изготовления плавленых нитей. Этот процесс позволил преодолеть основные проблемы, связанные с повторной печатью сшитых материалов для получения прочных, прочных и устойчивых к растворителям 3D-объектов отдельно от несортированных пластиковых отходов. Полученные результаты обеспечивают адаптируемый подход к передовому производству круглых пластмасс.

Производство пластмасс достигло значительного роста с 2,13% в 2013 году до прогнозируемых 16% чистых глобальных выбросов углерода к 2050 году. Поэтому в качестве наилучшего сценария исследователи стремятся увеличить переработку пластика, чтобы снизить рост производственного спроса и снизить выбросы углекислого газа на 93%. Установив замкнутый цикл циркуляции пластмасс, они могут достичь чистого нулевого выброса углерода, чтобы разработать пути производства пластмасс для достижения наилучших возможных результатов. Из существующих методов производства аддитивное производство обеспечивает производство 3D-материалов по требованию для преобразования пластиковых отходов в полезные 3D-конструкции с лучшими характеристиками материала и, таким образом, поддерживает экономику круглых пластмасс. Команда использовала метод изготовления плавленых нитей для создания удобных и доступных протоколов печати. В этой работе Ким и соавт. превратили акрилонитрилбутадиенстирол (сокращенно АБС) в высокоэффективный стекловолокно, используя технологию изготовления полностью плавленых нитей.

Чтобы увеличить использование товарных пластмасс для печати, исследователи заменили существующие методы создания сшитых сетей обратимыми связями. Ким и др. достигли этого с помощью ассоциативного обмена иминами. Путем переработки АБС в ABS vitrimer (класс возобновляемых пластмасс) они значительно улучшили термомеханическую и химическую стойкость материала. Стекловолокно продемонстрировало возможность многократной переработки, а также улучшенное межфиламентное сцепление и стойкость к растворителям. Они деконструировали отходы стекловолокна путем растворения и перепечатали их, используя метод изготовления с использованием полных нитей, чтобы сформировать полезные 3D-структуры, растворяя и перерабатывая пластмассы в цикле повышения ценности. Этот процесс позволил сократить выбросы в эквиваленте диоксида углерода по меньшей мере на 65% по сравнению с сжиганием, что представляет собой легко адаптируемый подход к производству круглых пластмасс.

Таким образом, Ким и соавт. переработали ABS до пригодного для печати FFF стекловолокна, в котором исходное соединение было пластичным и жестким с ненасыщенными двойными связями, которые можно было изменить после функционализации. Затем команда применила химию "щелчка" тиол-ен для функционализации компонентов конструкции, чтобы получить ABS-купорос. Они наблюдали за реакциями с помощью ядерного магнитного резонанса и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Продукты были устойчивы к воздействию целого ряда растворителей, включая ацетон-хлороформ, тетрагидрофуран и дихлорметан. Ученые оценили механические свойства конструкций с помощью испытаний на растяжение, наряду с вязкоупругостью и обрабатываемостью при более высоких температурах, одновременно улучшая термомеханическую стабильность изделий.

Исследовательская группа определила пригодность продукта для вторичной переработки с помощью динамического механического анализа и испытаний образцов на растяжение, результаты которых показали почти идентичные модули хранения для четырех отдельных образцов после трех повторных циклов, что указывает на хорошую способность к восстановлению эластичности. Ученые также продемонстрировали возможность переработки сшитого ABS-стекловолокна; перерабатывать их путем повторного нагрева без использования растворителей или добавок для диссоциации сетки и обеспечения возможности повторной печати.

Метод FFF для печати на стекле позволил получить быструю кинетику обмена и пластичность с механической целостностью для создания автономных структур. Этот метод позволил улучшить межслойную интеграцию для повышения прочности. Когда Ким и соавт. погружали продукт в тетрагидрофуран, образцы были устойчивы к растворителям, что указывает на сшивание по всей слоистой структуре. Этот метод позволил легко отделить образцы от смесей отходов для готовой переработки и повторного использования. Ученые отметили превосходное удельное поглощение энергии для био-вдохновленных переработанных АБС-стеклопластиков, что обеспечивает повышенную прочность конструкции при снижении расхода материалов в процессе производства по сравнению с традиционными способами. В работе подчеркивалась возможность разработки стеклопластиков и композитов, пригодных для печати FFF, для применения в робототехнике, электронике и терапии в биомедицине.

Таким образом, Сунгджин Ким и его коллеги представили свои результаты по переработке отходов пластмасс в сложные 3D-печатные, прочные и пригодные для вторичной переработки сшитые материалы. Эта стратегия применяется к товарным термопластам для создания множества круговых моделей, повышающих ценность. Этот подход, заключающийся в использовании аддитивного метода производства для переработки товарных пластмасс для разработки материалов с более ценными структурами, обеспечивает коммерчески и экологически жизнеспособную стратегию для приемлемого замкнутого цикла кругового производства. Результаты переработки пластмасс окажут значительное долгосрочное воздействие на промышленное применение, здравоохранение и обеспечат надежную экологическую стратегию.

ИСТОЧНИК