Einem Team von Forschern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ist es gelungen, ausrangierten Kunststoff in Material für den FFF-3D-Druck umzuwandeln. Die Methode führt zu einer „Klick-Chemie“-Reaktion, die Abfall-ABS in ein Polymer mit Recyclingfähigkeit von Thermoplasten und den Eigenschaften von Duroplasten, einem sogenannten Vitrimer, umwandelt. Der entstandene Prozess bildet die Grundlage der Einführung einer „geschlossenen Kreislaufstrategie“, mit der der Bedarf an Kunststoffen reduziert und die mit ihrer Produktion verbundenen Emissionen senkt. In einer Arbeit mit dem Titel „Closed-Loop Additive Manufacturing of Upcycled Commodity Plastic through Dynamic Crosslinking“ präsentierten sie ihre Ergebnisse.
Ideale Grundlage für einen nachhaltigen Kreislaufprozess
Bisher war es sehr schwierig, extrudierbare FFF-3D-Drucker-Materialien auf diese Weise herzustellen. Vernetzte Duroplaste waren oft unvereinbar, wodurch viele Branchen weiterhin nicht von mechanochemischen Eigenschaften von Duroplasten wie Epoxid profitieren konnten und sich mit nicht recycelbaren Filamenten begnügen mussten. ABS kann schnell zu starren Strukturen aushärten, weshalb es von Anwendern und Herstellern des FFF-3D-Drucks gleichermaßen übernommen wurde. Für die Forscher ist das die ideale Grundlage für einen nachhaltigen Kreislaufprozess, der eine Alternative zur Herstellung von Einwegpolymeren bieten soll.
Hauptautor Tomonori Saito von der Abteilung für chemische Wissenschaften des ORNL, sagte:
„Wir werden grundlegende Entdeckungen brauchen, um die Herausforderungen steigender Kosten und sich verschlechternder Materialeigenschaften im Zusammenhang mit dem Recycling zu bewältigen. Unser Ziel war es, eine leicht anwendbare Strategie zu entwickeln, die Kunststoffabfälle wiederverwendet, um ein wertvolleres Material zu schaffen, anstatt frischen Kunststoff zu erzeugen.“
Lösungsansatz
Die Forscher konzentrierten sich auf die gummiartigen Butadiensegmente des ABS, um daraus ein recycelbares, FFF-3D-druckbares Vitrimer zu machen. Diese enthalten ungesättigte Doppelbindungen, welche für die Wiederverwendbarkeit erforderlich sind. Um sie zu funktionalisieren und umzuwandeln, fügten sie Dialdehyd und Cysteamin hinzu. Sie beschlossen, Teile aus sechs verschiedenen Upcycling-ABS-Formulierungen in 3D zu drucken, um die Wirksamkeit der „Klick-Chemie“-Reaktion zu testen. Anschließend wurden diese Festigkeitstests unterzogen. Das Material „ALD-66“ hatte eine Reißfestigkeit von 44 MPa und war somit über 80% stärker als reines ABS. „ALD-33“, für das sich die Forscher entschieden haben, war zäh und duktil, was sie sich für einen bruchfreien Druck wünschten.
Die Recyclingfähigkeit des Materials quantifizierten sie, indem sie vier Muster erzeugten, bevor sie erneut gedruckt und für drei aufeinanderfolgende Druckzyklen wiederverwendet wurden. Die ALD-33-Proben erhielten ihre Elastizität, Festigkeit und Duktilität bei, ohne Zusatzstoffe zu benötigen. Das Material kann nach dem Auflösen kontrolliert mit normalem PLA gemischt werden, um Mischungen mit vorbestimmten Eigenschaften zu bilden. So konnten die Forscher eine Formulierung entwickeln, die beim 3D-Druck zu Teilen mit „hervorragenden Druckeigenschaften“ führte.
Sungjin Kim, Postdoktorand am ORNL und Mitarbeiter des Projekts, erklärte:
„Der Ansatz ist äußerst vielseitig. Wiedergewonnenes Upcycling-ABS kann immer wieder für FFF mit minimalem Eigenschaftsverlust wiederverwendet werden. Es kann auch mit Misch- und Standard-ABS kombiniert und als Blend direkt bedruckt werden.“
