增材制造，通常称为 3D 打印，作为现代制造业转型的引擎，已显示出巨大的前景。通过按需快速打印复杂物体，该技术已经颠覆了从航空航天到医疗设备等行业。然而，一个紧迫的障碍威胁着消费者和工业部门更广泛采用塑料垃圾的可持续性。
如今，大多数商用的3D打印材料，从廉价的PLA塑料到高端聚酰胺，在打印后都有两个令人不安的特征——它们不可回收，并造成污染的危险。这是因为这些塑料含有高度稳定的碳-碳聚合物主链，一旦固化成产品，就能抵抗具有成本效益的回收方法。在过去十年中，随着全球3D打印塑料部件的数量猛增了1500%，在该技术著名的崛起背后，大量没有回收途径的后工业和消费后废物已经堆积起来。
多年来，专家们一直指出一种诱人的替代品——可逆聚合物，当暴露于某些刺激时，它可以重新排列它们的共价键，从而实现重复加工、重新打印和完全回收。也称为动态共价聚合物网络或共价自适应网络，尽管研发受到高度关注，但这些可转化材料仍然无法实现可靠的3D打印。
直到现在。以色列科学家的突破性新研究引入了为3D打印量身定制的可逆聚合物，只需使用标准微波炉即可完全回收。这种开创性的方法最终开启了可持续按需大规模打印物体的承诺，而不会将有毒废物堆积在我们的垃圾填埋场和海洋中。
研究结果已发布在Advanced Materials上。
在Shlomo Magdassi教授的带领下，研究人员开发了完全可回收和可再打印的聚合物组合物，用于在低得多的温度下进行熔丝制造3D打印。这是通过有目的地设计聚合物来实现的，这些聚合物通过环加成反应进行可逆光聚合，当暴露在紫外线下时形成新的键。
至关重要的是，日常微波炉可以快速解聚聚合物，从而实现完全回收。这样可以进行多个打印循环，而不会影响机械性能或添加任何新材料。
这种新方法的核心是设计一种含有三乙烯四胺和肉桂醛基团的定制单体。该单体在2nm紫外照射下可通过[2+4]和[4+365]环加成反应形成环加合物。研究人员开发的专用锡基催化剂的存在加速了这些可逆的光聚合反应。
打印是通过直接墨水书写 3D 打印方法进行的，紫外光导致同时聚合和交联，以保持所需的打印形状。值得注意的是，打印温度仅比先前报道的最低温度RCBP打印方法低70°C-50°C。
根据Hanna Dodiuk博士的说法，“这一突破将促进可持续原材料的使用，最终为3D打印带来更高效和环保的前景。
为了回收打印部件，研究人员创新地利用了微波辐射。在功率为10W的标准微波炉中仅10分钟就导致液化和97.6%恢复到原来的功能单体。虽然微波暴露确实将样品加热到180°C，但在此温度下单独加热无法实现回收。这表明独特的微波效应正在加速键的逆转。
正如 Dodiuk 博士所阐述的那样，“通常，逆转环加成反应需要在有害范围的 UVC 下照射。键角应力导致的四元环和八元环的不稳定性使它们容易受到UVC激发的开环作用。
“探索了一种基于微波照射的替代方法来避免UVC照射，众所周知，微波照射会通过极性分子的旋转引起快速加热。一些环加成反应会在高温下解离，导致环的振动，导致空间应力，从而转化为空间更稳定的形式——原始分子”。
值得注意的是，研究人员成功地展示了 11 个集成的印刷回收循环，而机械或热性能没有损失。拉伸强度、断裂伸长率和玻璃化转变温度在第一次和第十一次迭代之间有效保持不变。
微波回收后打印部件的完全溶解证实了优异的可逆性。研究人员还使用核磁共振研究和紫外-可见分光光度法分析了每个阶段的聚合物转化率，以量化回收效率。
这种方法使可持续的增材制造成为可能，具有广泛的潜在应用，从电子产品到生物医学设备。它克服了过去十年来将可逆聚合物应用于3D打印的关键障碍。
正如Shlomo Magdassi教授所总结的那样，“这项研究通过利用可逆的环加成反应提出了一种可持续的3D辐射打印方法。新合成的单体在比以前报道的RCBP低得多的温度下表现出可印刷性。所提出的方法允许多个打印周期，而不会影响打印对象的机械和热性能，并且不会补充材料。
随着进一步的发展，这种开创性的方法最终可以解锁完全可回收的3D打印塑料的前景。鉴于世界各地的社区面临大量塑料垃圾的挑战，像这样更具可持续性的材料科学突破从未像现在这样重要。Magdassi教授认为，这项研究代表了“朝着推进可持续性、聚合物和材料科学迈出的有希望的一步”。
