Enhancing Toughness of Poly(L-lactic acid) for 3D-Printing Applications by Utilizing Long-chain Branching

Stel je een wereld voor waarin het plastic dat wordt gebruikt voor alles, van medische implantaten tot auto-onderdelen, gemaakt is van maïs of suikerriet. Dit materiaal, bekend als poly(L-melkzuur) of PLLA, is een ster van de groene revolutie omdat het natuurlijk afbreekt en veilig is voor het milieu. Het is de standaardkeuze geworden voor een populaire manier van het maken van objecten die 3D-printen wordt genoemd, waarbij een machine plastic smelt en het in dunne lagen aanbrengt om een vorm op te bouwen. Echter, er is een aanzienlijk probleem met dit materiaal: onderdelen gemaakt van dit materiaal zijn vaak bros. Net als een droge tak die onder druk knapt, hebben deze geprinte objecten de neiging om te versplinteren in plaats van te buigen wanneer ze worden belast. Deze kwetsbaarheid beperkt hun gebruik in de echte wereld van de techniek, waar duurzaamheid essentieel is. De reden voor deze zwakte ligt in de manier waarop de plasticmoleculen zichzelf ordenen terwijl ze afkoelen. Wanneer het gesmolten plastic hard wordt, probeert het geordende, kristalachtige structuren te vormen. Als deze structuren te groot worden en samenklonteren, wordt het materiaal stijf en gevoelig voor breuk.

Om dit op te lossen, heeft een team van onderzoekers geprobeerd de vorm van de plasticmoleculen zelf te veranderen om te zien of ze het eindproduct taaier konden maken. In plaats van vreemde chemicaliën toe te voegen om het plastic anders te laten kristalliseren, hebben ze de architectuur van de polymeerketens zelf aangepast. Ze namen standaard, rechte ketens van PLLA en introduceerden lange vertakkingen, waardoor een structuur ontstond die meer lijkt op een boom met takken dan op een simpel touw. Het doel was om te zien of deze vertakkingen het plastic zouden dwingen om een veel fijnere, meer verdichte interne structuur te vormen tijdens het printen, wat de vorming van grote, brosse klonten zou kunnen voorkomen. Het team printte enkelvoudige draden van dit aangepaste plastic en onderwierp deze aan strenge tests, waarbij ze maten hoe snel het kristalliseerde, hoe hun interne structuren er onder een microscoop uitzagen en hoeveel kracht ze konden weerstaan voordat ze braken.

De onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van deze lange vertakkingen het plastic niet sneller liet kristalliseren in algemene zin, een bevinding die sommige eerdere aannames in het vakgebied uitdaagde. In plaats daarvan fungeerden de vertakkingen als een krachtige trigger voor het starten van het kristallisatieproces. In de taal van de studie verhoogden de vertakkingen het aantal kleine startpunten, of kernen, waar kristallen konden beginnen te groeien, spectaculair. Echter, terwijl de vertakkingen ervoor zorgden dat meer van deze startpunten verschenen, vertraagden ze tegelijkertijd hoe snel de kristallen konden uitbreiden. Deze combinatie creëerde een uniek effect: omdat er zoveel kristallen tegelijkertijd begonnen te groeien, maar geen enkele heel groot kon worden voordat hij zijn buren tegenkwam, was het uiteindelijke materiaal gevuld met een dicht bos van kleine kristallen in plaats van een paar enorme exemplaren. Deze fijnkorrelige structuur is de sleutel tot de nieuwe sterkte van het materiaal.

Toen het team de mechanische eigenschappen van de geprinte draden testte, waren de resultaten opmerkelijk. Het standaard, onvertakte plastic was stijf en brak gemakkelijk, waarbij het slechts ongeveer 1,6 procent van zijn oorspronkelijke lengte uitrekte voordat het knapte. In contrast hiermee kon het plastic met het hoogste aantal vertakkingen meer dan drie keer zo ver uitrekken, bereikend tot 5,2 procent voordat het faalde. Dit vermogen om uit te rekken, ook wel ductiliteit genoemd, is een cruciale maatstaf voor taaiheid. De energie die nodig was om het vertakte plastic te breken, berekend als de oppervlakte onder de spanning-rekcurve, sprong van een lage 0,2 eenheden naar 2,3 eenheden. Dit betekent dat het aangepaste materiaal aanzienlijk meer impact kan absorberen zonder te versplinteren. De onderzoekers bevestigden dat deze verbetering rechtstreeks voortkwam uit de verfijnde interne structuur, aangezien de microscopische beelden lieten zien dat de kristalgrootte kromp van ongeveer 30 micrometer in het standaardplastic naar slechts 2 micrometer in de meest vertakte versie.

De studie sloot ook andere potentiële oorzaken voor deze verbetering zorgvuldig uit. De onderzoekers verifieerden dat het plastic niet sterker werd omdat de moleculen in een specifieke richting uitlijnden tijdens het printen, een fenomeen dat oriëntatie wordt genoemd. Hun metingen toonden aan dat de kristallen willekeurig georiënteerd waren, wat betekent dat de taaiheid puur voortkwam uit de grootte en dichtheid van de kristallen, en niet uit de manier waarop ze op één lijn lagen. Ze bevestigden ook dat de vertakkingen niet fungeerden als vreemde onzuiverheden die simpelweg op het oppervlak zaten om kristallen te starten; in plaats daarvan veranderden de vertakkingen de manier waarop de moleculen bewogen en met elkaar interacteerden binnen de smelt om op natuurlijke wijze meer startpunten te creëren. Hoewel het vertakte plastic iets moeilijker door de printkop te duwen was vanwege de verhoogde dikte, merkte het team op dat dit gemakkelijk beheerd kon worden door het te mengen met standaardplastic om de doorstroming aan te passen.

Uiteindelijk laat dit werk zien dat door simpelweg de vorm van de polymeerketens te veranderen door lange vertakkingen toe te voegen, het mogelijk is om een bros, 3D-geprint plastic te transformeren in een veel taaier, veerkrachtiger materiaal. Het proces vereist geen complexe additieven of volledig nieuwe productieapparatuur, maar eerder een slimme manipulatie van de moleculaire architectuur van het materiaal. Door het plastic te dwingen een dicht netwerk van kleine kristallen te vormen in plaats van enkele grote, brosse exemplaren, hebben de onderzoekers een praktische weg gevonden om de brosheid te overwinnen die het gebruik van bio-gebaseerde plastics in veeleisende toepassingen lang heeft tegengehouden. Deze aanpak suggereert dat de toekomst van duurzame productie niet alleen ligt in het vinden van nieuwe materialen, maar in het herontwerpen van de structuur van de materialen die we al hebben.