3D打印Nature：光固化树脂解聚再利用取得重大突破

 

导读：随着增材制造技术的迅速发展，光固化的动态网络作为一种重要的制造方法备受关注。这种技术能够通过光敏树脂的使用，在短时间内快速制造出定制的3D打印零件，为各行各业带来了巨大的变革。然而，尽管光固化技术在分辨率和制造速度方面取得了显著进步，但随之而来的挑战也愈加凸显。

光固化的基本原理是将液态树脂暴露于光下，以快速形成交联聚合物网络。然而，传统的光敏树脂主要来源于石油化学原料，其材料特性类似于传统的交联橡胶和热固性材料，限制了打印零件的可回收性。对于环保和可持续发展的追求，促使科学家们寻找可再生资源替代传统的石油基树脂，以实现循环利用的闭环制造。

所以呢，研究者们开始关注使用可再生资源制备光敏树脂，以实现其在3D打印中的循环利用。然而，现有的再生方法存在一些问题，例如动态键与光化学交联反应之间的正交性，以及再生材料的性质与原始材料的差异。这些问题限制了再生材料的实际应用，并加剧了材料循环利用的困难。

为了解决这些问题，英国伯明翰大学化学学院、美国高分子创新研究所的Joshua C. Worch & Andrew P. Dove教授的联合研究团队在“Nature”期刊上发表了题为“A renewably sourced, circular photopolymer resin for additive manufacturing”的最新论文。他们提出了一种全新的光敏树脂平台，完全由可再生脂肪酸酯衍生而成。他们通过将环状二硫化物引入光敏树脂中，解决了以往动态键与光化学交联反应之间的冲突，实现了树脂的循环利用。与此同时，他们还针对树脂合成过程中存在的环境和健康安全挑战，提出了更加环保的合成方法，从根本上提高了树脂的可持续性。

【图文解读】

在图1中，a部分显示了传统的3D打印树脂的结构和特点，b部分展示了开环回收和闭环回收的两种方式，c部分是闭环回收的详细示意图。通过这个图示，读者可以了解到研究的背景和目的，即寻找一种可以实现循环利用的光固化树脂。

图1：3D打印感光树脂及其回收

在图2a中，展示了所用树脂的化学组成，包括MenLp1和IsoLp2的比例。随后在b部分展示了利用该树脂打印的高分辨率3D零件，包括复杂结构的实现。c部分展示了树脂的打印精度，通过对比理论表面积和打印表面积，验证了打印精度的高度一致性。而d部分展示了打印出的复杂3D零件的外观效果。接着，e部分展示了打印零件的粉末状态，f部分展示了经过解聚处理后获得的回收树脂的外观，该处理达到了98%的收率。最后，g部分展示了回收树脂的分子量分布，证明了回收树脂与原始树脂相似的分子结构。这项研究为解决传统光固化树脂一次性使用的问题提供了新的思路和方法，并为可持续发展提供了一种重要的技术途径。

图2. MenLp1–IsoLp2 (30:70 wt%) 的3D打印和打印部件解聚

在图3中，研究人员首先改变了MenLp1-IsoLp2配方中反应性稀释剂与交联剂的比例，并通过光固化在玻璃片上制备了二维光固化样品。他们发现，交联剂含量对于样品的最终拉伸强度（UTS）、杨氏模量（E）和玻璃化转变温度（Tg）有显著影响。随着IsoLp2含量的增加，UTS和E都呈上升趋势，而Tg也呈正相关。此外，研究人员合成了一系列不同结构的单体脂肪酸酯，探索了其在树脂平台上的通用性。结果表明，不同脂肪酸酯的加入会导致树脂材料的热力学和机械性能发生变化，从而扩展了可获得的材料机械性能范围。

图3. 从几种可再生硫辛酸盐树脂，后固化材料的热和机械性能

在图4中，研究人员展示了经过循环3D打印循环后的闭环树脂平台的性能。他们通过催化剂和热解聚方法有效地回收了打印过的树脂，并对回收的树脂进行了分析。结果显示，回收的树脂在性能上与原始树脂基本相同，表明该平台具有良好的可循环性和可持续性。这些研究结果为可再生树脂平台的进一步发展提供了重要参考，有助于设计和优化具有特定性能的树脂材料。此外，闭环循环的实现也为可持续的3D打印技术提供了新的可能性，有望推动3D打印技术向更环保的方向发展。

图4. EtLp1–GlyLp3 (31:69 wt%) 树脂循环的数字光处理DLP打印

【研究结论】

本研究通过利用可再生、可持续和无危害的脂肪酸酯，成功实现了循环DLP打印，突破了传统光聚合物树脂在回收再利用方面的限制。这一创新不仅解决了目前光聚合物树脂的可持续性和环保问题，还提供了一种更安全的树脂替代方案，避免了传统树脂可能存在的健康和安全隐患。此外，本研究所采用的脂肪酸酯材料已经在商业上得到广泛应用，因此具有更好的可行性和市场前景。通过这一成果，作者对于未来光聚合物树脂材料的设计和应用提供了新的思路和方向，鼓励了更多对于可持续性、环保和安全性的关注，推动了材料科学领域向更加可持续和绿色的方向发展。

原文详情：Machado, T.O., Stubbs, C.J., Chiaradia, V. et al. A renewably sourced, circular photopolymer resin for additive manufacturing. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07399-9" target="_blank">https://doi.org/10.1038/s41586-024-07399-9

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（完）