Druk 3D i modyfikacja powierzchni in situ za pomocą fotoinicjowanej odwracalnej polimeryzacji łańcuchowej addycyjno-fragmentacyjnej typu I

Podsumowanie

Obecny protokół opisuje cyfrowy druk 3D materiałów polimerowych oparty na przetwarzaniu światła przy użyciu fotoinicjowanej odwracalnej polimeryzacji łańcuchowej addycyjno-fragmentacyjnej typu I i późniejszej post-funkcjonalizacji materiału in situ poprzez polimeryzację za pośrednictwem powierzchni. Fotoindukowany druk 3D zapewnia materiałom niezależnie dopasowane i kontrolowane przestrzennie właściwości sypkie i międzyfazowe.

Streszczenie

Druk 3D zapewnia łatwy dostęp do geometrycznie złożonych materiałów. Materiały te mają jednak nieodłącznie powiązane właściwości sypkie i międzyfazowe, zależne od składu chemicznego żywicy. W obecnych pracach materiały drukowane w 3D są postfunkcjonalizowane przy użyciu sprzętu drukarki 3D poprzez wtórny proces polimeryzacji inicjowanej powierzchniowo, zapewniając w ten sposób niezależną kontrolę nad właściwościami materiału sypkiego i międzyfazowego. Proces ten rozpoczyna się od przygotowania płynnych żywic, które zawierają monofunkcjonalny monomer, sieciujący wielofunkcyjny monomer, fotochemicznie labilny substancję, która umożliwia inicjację polimeryzacji oraz, co najważniejsze, związek tiokarbonylotiologiczny, który ułatwia odwracalną polimeryzację łańcucha addycyjno-fragmentacyjnego (RAFT). Związek tiokarbonylotiologiczny, znany powszechnie jako środek RAFT, pośredniczy w procesie polimeryzacji wzrostu łańcucha i zapewnia materiałom polimerowym bardziej jednorodne struktury sieciowe. Płynna żywica jest utwardzana warstwa po warstwie za pomocą dostępnej na rynku cyfrowej drukarki 3D do obróbki światła, aby uzyskać trójwymiarowe materiały o przestrzennie kontrolowanej geometrii. Początkowa żywica jest usuwana i zastępowana nową mieszaniną zawierającą funkcjonalne monomery i gatunki fotoinicjujące. Materiał wydrukowany w 3D jest następnie wystawiany na działanie światła z drukarki 3D w obecności nowej funkcjonalnej mieszaniny monomerów. Pozwala to na fotoindukowaną polimeryzację inicjowaną powierzchniowo z utajonych grup agentów RAFT na powierzchni materiału drukowanego w 3D. Biorąc pod uwagę elastyczność chemiczną obu żywic, proces ten pozwala na produkcję szerokiej gamy materiałów drukowanych 3D o dostosowanych właściwościach masowych i międzyfazowych.

Wprowadzenie

Produkcja addytywna i druk 3D zrewolucjonizowały produkcję materiałów, zapewniając bardziej efektywne i łatwe metody wytwarzania skomplikowanych geometrycznie materiałów¹. Oprócz zwiększonej swobody projektowania w druku 3D, technologie te wytwarzają mniej odpadów niż tradycyjne subtraktywne procesy produkcyjne dzięki rozsądnemu wykorzystaniu materiałów prekursorowych w procesie produkcyjnym warstwa po warstwie. Od 1980 roku opracowano szeroką gamę różnych technik druku 3D do wytwarzania komponentów polimerowych, metalowych i ceramicznych¹. Do najczęściej stosowanych metod należy druk 3D oparty na wytłaczaniu, t....

Protokół

1. Przygotowanie programu do druku 3D i drukarki 3D

1. Zaprojektuj model cyfrowy do druku 3D, wykonując poniższe czynności.
   1. Otwórz program do projektowania wspomaganego komputerowo (patrz Spis materiałów).
   2. W płaszczyźnie x-y utwórz prostokąt wyśrodkowany na początku układu współrzędnych o wymiarach 80 mm x 40 mm, a następnie wyciągnij wzdłuż dodatniej osi z na 1,5 mm, aby uzyskać bryłę prostokątnego pryzmatu, zwaną obiektem bazowym.
   3. Nad obiektem podstawowym, tj. na wysokości z = 1,5 mm, narysuj żądane wzory powierzchni (w tym przypadku dwa symbole yin-yang) na powierzchni prostokątnego grania....

Wyniki

Ogólna procedura druku 3D i funkcjonalizacji powierzchni przedstawiona jest na Rysunku 1. W niniejszym protokole początkowo syntetyzowana jest sieć polimerowa via proces fotowywołanej polimeryzacji RAFT¹⁵, przy użyciu drukarki 3D do wytwarzania obiektu w procesie warstwowym (Rysunek 1A). Żywica masowa używana do tworzenia sieci polimerowej zawiera fotolabilny inicjator (TPO), który generuje rodniki pod wpływem światła o długości .......

Dyskusja

Niniejszy protokół demonstruje proces drukowania 3D materiałów polimerowych o niezależnie regulowanych właściwościach masowych i międzyfazowych. Procedura jest wykonywana metodą dwuetapową polegającą na drukowaniu 3D podłoża bazowego, a następnie modyfikowaniu warstwy powierzchniowej wydrukowanego obiektu 3D przy użyciu innej żywicy funkcjonalnej, ale przy użyciu tego samego sprzętu do drukowania 3D. Podczas gdy drukarki 3D wykorzystywane w tej pracy są przeznaczone do drukowania usieciowanych materiałów warstwa.......

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Metakrylan 1-pirenemetylu	Sigma-Aldrich	765120
2-(n-butylotiokarbobonotiotio)propanowy	Bor Molekularna	BM1640
Drukarka 3D	Photon	Mono S	natężenie światła na powierzchni maski cyfrowej = 0,81 mW cm-2
Oprogramowanie do krojenia druku 3D	Photon	Photon Workshop V2.1.19
Kąpiel ultradźwiękowa 40 kHz	Thermoline	UB-410
230142	sprężonego powietrza		Coregas pracujący przy 130 kPa
Program do projektowania wspomaganego komputerowo	SpaceClaim SpaceClaim	Design Manager V19.1
Tlenek difenylu (2,4,6-trimetylobenzoilo)fosfiny	Sigma-Aldrich	415952
Etanol niedenaturowany 100% AR	ChemSupply	EL043-2.5L-P
Butelka do mycia etanolu	Rowe Scientific	AZLWGF541P
Fluorescence Imager	Bio-Rad	Gel Doc XR+	Wykorzystuje lampę wyładowczą o długości fali 302 nm jako źródło emisji
Miernik natężenia światła Tester	Newport	843-R
	Znak– 10	ESM303	Miernik siły 1 kN M5– 200
Formowalna folia z tworzywa sztucznego	Parafilm	PM992
N,N-dimethlacrylamid	Sigma-Aldrich	274135
N,N-dimetyloformamid HPLC	ChemSupply	LC1051-G4L
Średnia diakrylanowa poli(glikolu etylenowego) Mn 250	Sigma-Aldrich	475629
Lampa po utwardzeniu	Leoway	‎ B0869BY79P	60 W 405 nm
Dokument norm	ASTM	ASTM Norma ASTM D638-14
Maszyna do prób rozciągania	Mark-10
UV	Light Fisher Scientific	11-982-30	6 W Spectroline E-Series, Lampa wyładowcza
Vortex Mixer IKA Vortex 3	LabTek	3340000I

Zbiornik mechaniczny