Il presente protocollo descrive la stampa 3D digitale basata sulla lavorazione della luce di materiali polimerici utilizzando la polimerizzazione a catena di addizione-frammentazione reversibile fotoiniziata di tipo I e la successiva post-funzionalizzazione del materiale in situ tramite polimerizzazione mediata dalla superficie. La stampa 3D fotoindotta fornisce materiali con proprietà di massa e interfacciali su misura e controllate spazialmente in modo indipendente.
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Articolo metodologico
Stampa 3D e modifica della superficie in situ tramite polimerizzazione della catena di trasferimento della catena di addizione-frammentazione reversibile di tipo I
In questo articolo
Sommario
Abstract
La stampa 3D fornisce un facile accesso a materiali geometricamente complessi. Tuttavia, questi materiali hanno proprietà di massa e interfacciali intrinsecamente legate che dipendono dalla composizione chimica della resina. Nel lavoro attuale, i materiali stampati in 3D sono post-funzionalizzati utilizzando l'hardware della stampante 3D tramite un processo di polimerizzazione secondario avviato dalla superficie, fornendo così un controllo indipendente sulle proprietà del materiale sfuso e interfacciale. Questo processo inizia con la preparazione di resine liquide, che contengono un monomero monofunzionale, un monomero multifunzionale reticolante, una specie fotochimicamente labile che consente l'avvio della polimerizzazione e, in modo critico, un composto tiocarboniltio che facilita la polimerizzazione reversibile del trasferimento della catena di addizione-frammentazione (RAFT). Il composto tiocarboniltio, noto comunemente come agente RAFT, media il processo di polimerizzazione della crescita della catena e fornisce ai materiali polimerici strutture di rete più omogenee. La resina liquida viene polimerizzata in modo strato per strato utilizzando una stampante 3D digitale per l'elaborazione della luce disponibile in commercio per fornire materiali tridimensionali con geometrie controllate spazialmente. La resina iniziale viene rimossa e sostituita con una nuova miscela contenente monomeri funzionali e specie fotoiniziative. Il materiale stampato in 3D viene quindi esposto alla luce della stampante 3D in presenza della nuova miscela monomerica funzionale. Ciò consente la polimerizzazione fotoindotta avviata dalla superficie dai gruppi di agenti RAFT latenti sulla superficie del materiale stampato in 3D. Data la flessibilità chimica di entrambe le resine, questo processo consente di produrre una vasta gamma di materiali stampati in 3D con proprietà sfuse e interfacciali su misura.
Introduzione
La produzione additiva e la stampa 3D hanno rivoluzionato la produzione di materiali fornendo percorsi più efficienti e facili per la fabbricazione di materiali geometricamente complessi1. Oltre alle maggiori libertà di progettazione nella stampa 3D, queste tecnologie producono meno rifiuti rispetto ai tradizionali processi di produzione sottrattiva attraverso l'uso giudizioso di materiali precursori in un processo di produzione strato per strato. Dal 1980, è stata sviluppata una vasta gamma di diverse tecniche di stampa 3D per fabbricare componenti polimerici, metallici e ceramici1. I metodi più comunemente imp....
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Protocollo
1. Preparazione del programma di stampa 3D e della stampante 3D
- Progetta il modello digitale per la stampa 3D seguendo i passaggi seguenti.
- Aprire un programma di progettazione assistita da computer (vedere Tabella dei materiali).
- Nel piano x-y, creare un rettangolo centrato sull'origine con dimensioni di 80 mm x 40 mm, quindi estrudere lungo l'asse z positivo per 1,5 mm per creare un prisma rettangolare solido, chiamato oggetto di base.
- Sopra l'oggetto di base, cioè a z = 1,5 mm, disegna i modelli di superficie desiderati (in questo caso, due simboli yin-yang) sulla superficie del prisma rettan....
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Risultati
La procedura generale per la stampa 3D e la funzionalizzazione delle superfici è mostrata nella Figura 1. In questo protocollo, un polimero di rete viene inizialmente sintetizzato tramite un processo di polimerizzazione RAFT fotoindotto15, utilizzando una stampante 3D per fabbricare un oggetto in un processo strato per strato (Figura 1A). La resina sfusa utilizzata per formare la rete polimerica contiene una specie iniziatrice fo.......
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Discussione
Il presente protocollo dimostra un processo per la stampa 3D di materiali polimerici con proprietà di massa e interfacciali regolabili in modo indipendente. La procedura viene eseguita tramite un metodo in due fasi stampando in 3D il substrato di base e successivamente modificando lo strato superficiale dell'oggetto stampato in 3D utilizzando una resina funzionale diversa ma utilizzando lo stesso hardware di stampa 3D. Mentre le stampanti 3D utilizzate in questo lavoro sono progettate per stampare materiali reti.......
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Dichiarazioni
Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.
Ringraziamenti
Gli autori riconoscono il finanziamento da parte dell'Australian Research Council e dell'UNSW Australia attraverso il programma Discovery Research (DP210100094).
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 1-pirenemetilmetacrilato | Sigma-Aldrich | 765120 | |
| 2-(n-butiltiocarbonotiotiolio) acido propanoico | Boro Molecolare | BM1640 | |
| Stampante 3D Photon | Mono S | intensità luminosa sulla superficie della maschera digitale = 0,81 mW cm-2 | |
| Software di slicing per stampa 3D | Photon | Photon Workshop V2.1.19 | |
| Bagno ad ultrasuoni a 40 kHz | Thermoline | UB-410 | |
| Aria compressa | Coregas | 230142 | Serbatoio funzionante a 130 kPa |
| Programma di progettazione assistita da computer | SpaceClaim | SpaceClaim Design Manager V19.1 | |
| Ossido di difenile (2,4,6-trimetilbenzoil) fosfina | Sigma-Aldrich | 415952 | |
| Etanolo Non denaturato 100% AR | ChemSupply | EL043-2.5L-P | |
| Bottiglia di lavaggio per etanolo | Rowe Scientific | AZLWGF541P | |
| Fluorescence Imager | Bio-Rad | Gel Doc XR+ | Utilizza una lampada a scarica di gas da 302 nm come fonte di emissione |
| Misuratore di potenza dell'intensità luminosa | Newport | 843-R | |
| Tester meccanico | Mark– 10 | ESM303 | Dinamometro da 1 kN M5– 200 |
| Film plastico modellabile | Parafilm | PM992 | |
| N,N-dimetlacrilamide | Sigma-Aldrich | 274135 | |
| N,N-Dimetilformammide HPLC | ChemSupply | LC1051-G4L | |
| Poli(glicole etilenico) diacrilato medio Mn 250 | Sigma-Aldrich | 475629 | |
| Lampada Post Cura | Leoway | B0869BY79P | 60 W 405 nm |
| Documento normativo | ASTM | ASTM Standard D638-14 | |
| Macchina per prove di trazione | Mark-10 | ||
| Luce UV | Fisher Scientific | 11-982-30 | 6 W Spectroline E-Series, Lampada a scarica di gas |
| Vortex Mixer IKA Vortex 3 | LabTek | 3340000I |
Riferimenti
- Ligon, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., Mülhaupt, R. Polymers for 3D printing and customized additive manufacturing. Chemical Reviews. 117 (15), 10212-10290 (2017).
- Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Advanced Functional Materials. 16
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Ristampe e permessi
