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(noticias nanowerk) La fabricación aditiva, comúnmente conocida como impresión 3D, ha demostrado ser un impulsor prometedor para transformar la fabricación moderna. Al imprimir rápidamente objetos complejos bajo demanda, la tecnología ha revolucionado industrias desde la aeroespacial hasta la de dispositivos médicos. Sin embargo, un obstáculo apremiante amenaza la sostenibilidad de una adopción más amplia tanto en el sector de consumo como en el industrial: los residuos plásticos.
La mayoría de los materiales disponibles comercialmente para impresión 3D, desde plásticos PLA baratos hasta poliamidas de alta calidad, tienen dos propiedades problemáticas después de la impresión: no son reciclables y plantean riesgos de contaminación. Esto se debe a que estos plásticos contienen cadenas principales de polímeros de carbono-carbono altamente estables que, una vez curados y convertidos en productos, son resistentes a métodos de reciclaje de bajo costo. A medida que los volúmenes globales de piezas de plástico impresas en 3D han aumentado un 1.500% en la última década, detrás del famoso auge de la tecnología, se han acumulado enormes cantidades de residuos postindustriales y postconsumo sin ruta de reciclaje.
Durante años, los expertos han señalado una alternativa tentadora: los polímeros reversibles que pueden reorganizar sus enlaces covalentes cuando se exponen a ciertos estímulos, lo que permite un procesamiento repetido, una reimpresión y un reciclaje completo. Estos materiales convertibles, también conocidos como redes dinámicas de polímeros covalentes o redes covalentes personalizables (CAN), actualmente apenas se pueden lograr para una impresión 3D confiable a pesar del intenso trabajo de investigación y desarrollo.
Hasta ahora. Una nueva e innovadora investigación realizada por científicos de Israel introduce polímeros reversibles diseñados específicamente para la impresión 3D que pueden reciclarse por completo utilizando solo un horno microondas estándar. Esta metodología innovadora finalmente hace realidad la promesa de imprimir objetos de manera sostenible a pedido y a escala, sin desechos tóxicos que abarroten nuestros vertederos y océanos.
Los resultados fueron publicados en Materiales avanzados (“Polímeros curados totalmente reciclables para una impresión 3D sostenible”).
Dirigidos por el profesor Shlomo Magdassi, los investigadores desarrollaron composiciones poliméricas totalmente reciclables y reimprimibles para la impresión 3D utilizando filamentos fundidos a temperaturas mucho más bajas. Esto se logra mediante el diseño específico de polímeros que se someten a una fotopolimerización reversible mediante reacciones de cicloadición y forman nuevos enlaces cuando se exponen a la luz ultravioleta.
Lo más importante es que un horno microondas común y corriente puede despolimerizar rápidamente los polímeros y reciclarlos por completo. Esto permite múltiples ciclos de impresión sin comprometer las propiedades mecánicas ni tener que agregar nuevos materiales.
El objetivo de este nuevo enfoque es el desarrollo de un monómero personalizado con grupos trietilentetramina y cinamaldehído. Este monómero puede formar cicloaductos. [2+2] Y [4+4] Reacciones de cicloadición bajo irradiación UV de 365 nm. La presencia de un catalizador especial a base de estaño desarrollado por los investigadores acelera estas reacciones de fotopolimerización reversibles.
La impresión se realiza mediante el método de impresión 3D de escritura directa con tinta, donde la luz ultravioleta provoca simultáneamente la polimerización y la reticulación para mantener la forma impresa deseada. En particular, la temperatura de impresión es solo entre 70 °C y 50 °C más baja que el método de impresión RCBP de temperatura más baja informado anteriormente.
Según la Dra. Hanna Dodiuk «este avance facilitará el uso de materias primas sostenibles y, en última instancia, contribuirá a unas perspectivas más eficientes y respetuosas con el medio ambiente para la impresión 3D».
Para reciclar las piezas impresas, los investigadores utilizan la radiación de microondas de una forma innovadora. Solo 10 minutos en un horno microondas estándar a 216 W de potencia dieron como resultado la licuefacción y un retorno del 97,6 % a los monómeros funcionales originales. Si bien la exposición al microondas calentó las muestras a 180 °C, el calentamiento por sí solo a esta temperatura no permitió el reciclaje. Esto sugiere que los efectos únicos de las microondas permiten una inversión acelerada de los enlaces.
Como el Dr. Dodiuk explica: “Normalmente, la reversión de las reacciones de cicloadición requiere irradiación en el rango dañino de UVC (<260 nm para entidades basadas en cinamaldehído). La inestabilidad de los anillos de cuatro y ocho miembros debido a las tensiones del ángulo de enlace los hace susceptibles a la apertura del anillo por excitación bajo UVC”.
“Para evitar la irradiación UVC, se investigó un enfoque alternativo basado en la irradiación con microondas (25-38 mm), que se sabe que provoca un calentamiento rápido mediante la rotación de moléculas polares. Algunas reacciones de cicloadición pueden disociarse a altas temperaturas, lo que provoca vibraciones de los anillos, lo que provoca tensiones estéricas, lo que conduce a la conversión a la forma estéricamente más estable: las moléculas originales”.
Sorprendentemente, los investigadores demostraron con éxito 11 ciclos integrados de reciclaje de impresiones sin pérdida de propiedades mecánicas o térmicas. La resistencia a la tracción, el alargamiento de rotura y la temperatura de transición vítrea se mantuvieron prácticamente sin cambios entre la primera y la undécima iteración.
La disolución completa de las piezas impresas tras el reciclado con microondas confirmó la excelente reversibilidad. Los investigadores también analizaron la conversión de polímeros en cada etapa mediante estudios de RMN y espectrofotometría UV-Vis para cuantificar la eficiencia del reciclaje.
El enfoque permite la fabricación aditiva sostenible con una amplia gama de aplicaciones potenciales, desde electrónica hasta dispositivos biomédicos. Supera importantes obstáculos que han obstaculizado los esfuerzos anteriores para aplicar polímeros reversibles a la impresión 3D durante la última década.
El profesor Shlomo Magdassi resume: «Esta investigación presenta un enfoque sostenible para la impresión por radiación 3D mediante la explotación de reacciones de cicloadición reversibles.» El nuevo monómero sintetizado se puede imprimir a temperaturas significativamente más bajas que las RCBP informadas anteriormente. El enfoque presentado permite múltiples ciclos de impresión sin comprometer las propiedades mecánicas y térmicas de los objetos impresos y sin necesidad de rellenar material”.
Con un mayor desarrollo, esta innovadora metodología podría finalmente desbloquear la promesa de plásticos imprimibles en 3D totalmente reciclables. Dado que grandes cantidades de desechos plásticos plantean grandes desafíos para las comunidades de todo el mundo, avances como este en la ciencia de materiales sostenibles nunca han sido más importantes. El profesor Magdassi cree que esta investigación representa «un paso prometedor hacia el avance de la sostenibilidad, los polímeros y la ciencia de los materiales».
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