Nachhaltiges und reversibles 3D-Druckverfahren mit minimalen Zutaten und Arbeitsschritten

Die Forschungsarbeit hat das Potenzial, die Materialherstellung nachhaltiger und umweltfreundlicher zu machen

05.08.2024

Ein neues 3D-Druckverfahren, das von Ingenieuren der University of California San Diego entwickelt wurde, ist so einfach, dass es eine Polymertinte und eine Salzwasserlösung verwendet, um feste Strukturen zu erzeugen. Die in Nature Communications veröffentlichte Arbeit hat das Potenzial, die Materialherstellung nachhaltiger und umweltfreundlicher zu gestalten.

Das Verfahren verwendet eine flüssige Polymerlösung, die als Poly(N-Isopropylacrylamid) oder kurz PNIPAM bekannt ist. Wenn diese PNIPAM-Tinte durch eine Nadel in eine Kalziumchlorid-Salzlösung extrudiert wird, verfestigt sie sich sofort, wenn sie mit dem Salzwasser in Kontakt kommt. Die Forscher nutzten dieses Verfahren, um mit Leichtigkeit feste Strukturen zu drucken.

Diese schnelle Verfestigung wird durch den so genannten Aussalzungseffekt bewirkt, bei dem die Salzionen aufgrund ihrer starken Anziehungskraft auf Wasser Wassermoleküle aus der Polymerlösung herausziehen. Dieser Entzug von Wasser führt dazu, dass die hydrophoben Polymerketten in der PNIPAM-Tinte dicht aggregieren und eine feste Form bilden.

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"Dies alles geschieht unter Umgebungsbedingungen, ohne zusätzliche Schritte, spezielle Ausrüstung, giftige Chemikalien, Hitze oder Druck", so der Hauptautor der Studie, Jinhye Bae, Professor am Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Herkömmliche Verfahren zur Verfestigung von Polymeren erfordern in der Regel energieintensive Schritte und aggressive Substanzen. Im Gegensatz dazu nutzt dieses neue Verfahren die einfache Wechselwirkung zwischen PNIPAM und Salzwasser bei Raumtemperatur, um das gleiche Ergebnis zu erzielen, allerdings ohne die Umweltkosten.

Außerdem ist dieser Prozess reversibel. Die erzeugten festen Strukturen lassen sich leicht in Süßwasser auflösen und kehren dann in ihre flüssige Form zurück. So kann die PNIPAM-Tinte für weitere Druckvorgänge wiederverwendet werden. "Dies bietet einen einfachen und umweltfreundlichen Ansatz für das Recycling von Polymermaterialien", so Bae.

Um die Vielseitigkeit ihrer Methode zu demonstrieren, druckten die Forscher Strukturen aus PNIPAM-Tinten, die andere Materialien enthielten. So druckten sie beispielsweise einen elektrischen Schaltkreis mit einer Tinte aus PNIPAM, die mit Kohlenstoffnanoröhrchen gemischt war, und versorgten damit erfolgreich eine Glühbirne. Diese gedruckte Schaltung konnte auch in Süßwasser aufgelöst werden, was das Potenzial für die Herstellung wasserlöslicher und wiederverwertbarer elektronischer Komponenten verdeutlicht.

Bae und ihr Team gehen davon aus, dass diese einfache und reversible 3D-Drucktechnik zur Entwicklung umweltfreundlicher Polymerherstellungstechnologien beitragen könnte.

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Originalveröffentlichung

Donghwan Ji, Joseph Liu, Jiayu Zhao, Minghao Li, Yumi Rho, Hwansoo Shin, Tae Hee Han, Jinhye Bae; "Sustainable 3D printing by reversible salting-out effects with aqueous salt solutions"; Nature Communications, Volume 15, 2024-5-9

https://www.chemie.de/news/1184114/nachhaltiges-und-reversibles-3d-druckverfahren-mit-minimalen-zutaten-und-arbeitsschritten.html