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Ein neues 3D-Druckverfahren, das von einem Team 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 machen.
Der Prozess nutzt eine flüssige Polymerlösung, bekannt als Poly(N-isopropylacrylamid) oder PNIPAM. Wenn diese PNIPAM-Tinte durch eine Nadel in eine Kalziumchlorid-Salzlösung extrudiert wird, verfestigt sie sich sofort beim Kontakt mit dem Salzwasser. Die schnelle Verfestigung wird durch den sogenannten “Salting-Out”-Effekt angetrieben, bei dem die Salzionen Wasser aus der Polymerlösung ziehen. Diese Wasserentfernung führt dazu, dass die hydrophoben Polymerketten im PNIPAM-Tinte sich dicht aneinanderlagern und eine feste Form bilden.
“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.
Traditionelle Methoden zur Verfestigung von Polymeren erfordern in der Regel energieintensive Schritte und aggressive Substanzen. Im Gegensatz dazu nutzt dieser neue Prozess die einfache Wechselwirkung zwischen PNIPAM und Salzwasser bei Raumtemperatur, um dasselbe Ergebnis zu erzielen, jedoch ohne die Umweltbelastung.
Darüber hinaus ist dieser Prozess reversibel. Die erzeugten festen Strukturen können leicht in frischem Wasser aufgelöst und in ihre flüssige Form zurückgeführt werden. Dadurch 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 enthalten. Beispielsweise druckten sie einen Stromkreis mit einer Tinte aus PNIPAM und Kohlenstoffnanoröhren, der erfolgreich eine Glühbirne zum Leuchten brachte. Auch dieser gedruckte Stromkreis konnte in frischem Wasser aufgelöst werden, was das Potenzial zur Herstellung wasserlöslicher und recycelbarer elektronischer Komponenten zeigt.
Bae und ihr Team sehen in dieser einfachen und reversiblen 3D-Drucktechnik einen Beitrag zur Entwicklung umweltfreundlicher Polymerherstellungstechnologien. Diese Arbeit wurde durch die National Science Foundation und das National Research Foundation of Korea unterstützt.
