Debonding on demand for 3D printing

Abstract

Vernetzte Polymere, insbesondere auf Basis von Epoxiden, sind für ihre guten mechanischen Eigenschaften und ihre Resistenz gegenüber Hitze, Feuchtigkeit und Chemikalien bekannt. Dies macht sie zu einem begehrten Material sowohl in der Industrie als auch in der Wirtschaft. Da sie ebenfalls dazu im Stande sind kationisch polymerisiert zu werden, können sie auch für die additive Fertigung (besser bekannt als 3D-druck) eingesetzt werden. Der 3D hat besonders in den letzten Jahrzehnten an Wichtigkeit gewonnen, nicht zuletzt dadurch, dass er einfacher und billiger für die Öffentlichkeit zugänglich wurde. Der Nachteil von Polymernetzwerken ist, dass sie meist nicht recycelt oder wiederverwertet werden können. Wegen der glasartigen Struktur von Netzwerken und deren adhäsiven und thermisch stabilen Eigenschaften ist es kaum möglich ins Harz implementierte Komponenten, wie Elektronikbauteile oder seltene Erden wieder zu gewinnen. Debonding on Demand (DoD) bietet eine neue Möglichkeit, um diesen Nachteil zu überwinden. Dabei wird ein labiler Quervernetzer (Crosslinker) in das Netzwerk integriert, welcher mit einem externen Impuls, wie zum Beispiel Hitze, aktiviert werden kann. Dadurch ist es möglich das Netzwerk bei moderaten Temperaturen zu lösen und wertvolle Komponenten aus dem Polymer zu befreien. Dafür wurden verschiedene DoD-Ansätze untersucht, ob diese mit einem kationisch gehärteten Photopolymer kompatibel sind. Der vielversprechendste Ansatz für die Synthese solch eines Diels-Alder Addukts wurde verwendet, um thermisch spaltbare Netzwerke zu kreieren. Die hergestellten Polymere wurden mit verschiedenen Reaktivverdünnern auf ihr (photo)chemisches und (thermo)mechanisches Verhalten geprüft. Auch die Fähigkeit der Polymere, Debonding on Demand durchzuführen wurde genauer untersucht. Dazu wurde ein kommerziell erhältlich und nicht labiler Crosslinker als Referenz genommen. Des Weiteren wurde ein Kettenübertragsungsreagenz genommen, um zu sehen, ob das Netzwerk auch mit dem vorhandenem thermo labilen Crosslinker reguliert werden kann.

Crosslinked polymers, in particular based on epoxy monomers, are well known for their good mechanical properties and resistance against heat, moisture, and chemicals. Thus, these polymers are desired products in industry and economy. Their capability to be cured by cationic polymerization also makes them a suitable candidate for additive manufacturing (also known as 3D printing). This already widely acclaimed research field has gained much importance for the market during the last decades due to its easier and cheaper accessibility. However, crosslinked polymers cannot be recycled. Furthermore, due to the polymer's glassy nature, adhesive properties, and thermal stability, it is not possible to recover embedded parts, such as electronic devices or rare earth elements, from these polymeric parts. Debonding on Demand (DoD) offers a new way to overcome this drawback by integrating labile crosslinkers into the network, which can be degraded by an external stimulus, such as heat. Through this stimulus it is possible to debond the crosslinked network at suitable temperatures to rescue valuable components from the polymer matrix. Here, we investigated varying DoD approaches with respect to their compatibility with a cationically curable epoxide photopolymer network. The most promising approach, utilization of specifically designed and synthesized Diels Alder adducts, was applied to synthesize thermally cleavable networks. Formulations utilizing different reactive diluents were investigated. Furthermore, the synthesized polymers were then tested with respect to their (photo)chemical and (thermo) mechanical behaviour. To test the crosslinker's ability for DoD, debonding experiments have been performed compared to commercially available non-labile crosslinker systems. Additionally, a chain transfer agent was used to see if network regulation would be possible in the presence of the thermolabile crosslinker and its influence of the resulting networks.