第一作者: Thiago O. Machado, Connor J. Stubbs
通訊作者: Joshua C. Worch, Andrew P. Dove
通訊單位: 伯明翰大學(xué)
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通過(guò)槽式光聚合的方式制造光敏聚合物樹脂，可以快速制造定制的3D打印部件。制造方法的不斷進(jìn)步改善了分辨率和制造速度，然而自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，工藝設(shè)計(jì)和樹脂技術(shù)開始停滯不前。液體樹脂配方由含(甲)丙烯酸和環(huán)氧的活性單體和/或低聚物組成，在光引發(fā)劑存在的情況下，經(jīng)光刺激迅速光聚合，形成交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)。
這些樹脂成分大多來(lái)自石油原料，雖然近期通過(guò)可再生生物質(zhì)的衍生化以及引入可水解降解的鍵取得了進(jìn)展，但是最終材料還是像傳統(tǒng)的交聯(lián)橡膠和熱固性塑料一樣，限制了打印部件的可回收性。目前，還沒(méi)有現(xiàn)有的光敏聚合物樹脂可以被解聚并在一個(gè)循環(huán)的閉環(huán)路徑中直接重復(fù)使用。
本論文介紹了全新的光敏聚合物樹脂平臺(tái)，該樹脂完全由可再生的硫辛酸衍生物構(gòu)成，能夠通過(guò)3D打印技術(shù)制造出高分辨率的部件，還能以循環(huán)方式有效解構(gòu)并再次打印。
這種樹脂技術(shù)解決了以往使用內(nèi)部動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵方法回收和重印3D打印光聚合物時(shí)的低效率問(wèn)題，通過(guò)將傳統(tǒng)的(甲)丙烯酸替換為硫辛酸中的動(dòng)態(tài)循環(huán)二硫鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。該樹脂平臺(tái)具有高度的模塊化特性，可以通過(guò)調(diào)節(jié)組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)獲得具有不同熱力學(xué)和機(jī)械性能的打印材料，在性能上與多種商業(yè)丙烯酸樹脂相當(dāng)。
圖2：MenLp1–IsoLp2 (30:70 wt%)樹脂的3D打印和解聚過(guò)程。
圖3：不同可再生硫辛酸樹脂的熱力學(xué)和機(jī)械性能。
圖4：EtLp1–GlyLp3 (31:69?wt%)樹脂的循環(huán)DLP打印。
本研究的亮點(diǎn)在于開發(fā)了完全基于可再生資源的光敏聚合物樹脂，該樹脂不僅能夠3D打印成高分辨率的部件，還能通過(guò)化學(xué)解聚高效回收再利用，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)循環(huán)。
與傳統(tǒng)的石油基樹脂相比，這種基于硫辛酸的樹脂在熱力學(xué)和機(jī)械性能上具有可調(diào)性，且具有更好的環(huán)境友好性和安全性。研究還展示了通過(guò)改變單體比例和使用不同的可再生酒精來(lái)合成一系列單體硫辛酸，從而獲得具有不同性能的材料。
此外，研究還探索了通過(guò)非共價(jià)相互作用如金屬配位策略、立體化學(xué)效應(yīng)或氫鍵基團(tuán)來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高了樹脂的機(jī)械性能。這些發(fā)現(xiàn)為增材制造領(lǐng)域提供了可持續(xù)和環(huán)保的解決方案，有望推動(dòng)3D打印材料的綠色發(fā)展。
標(biāo)題: A renewably sourced, circular photopolymer resin for additive manufacturing
DOI: 10.1038/s41586-024-07399-9
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