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，工藝設(shè)計和樹脂技術(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自石油原料，雖然近期通過可再生生物質(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，還沒有現(xiàn)有的光敏聚合物樹脂可以被解聚并在一個循環(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，該樹脂完全由可再生的硫辛酸衍生物構(gòu)成，能夠通過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)部動態(tài)共價鍵方法回收和重印3D打印光聚合物時的低效率問題，通過將傳統(tǒng)的(甲)丙烯酸替換為硫辛酸中的動態(tài)循環(huán)二硫鍵來實(shí)現(xiàn)。該樹脂平臺具有高度的模塊化特性，可以通過調(diào)節(jié)組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來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。研究還展示了通過改變單體比例和使用不同的可再生酒精來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，研究還探索了通過非共價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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