Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/33123
Title: Recovery of reprocessed thermoplastic properties for closed-loop recycling using fused filament fabrication
Other Titles: Recuperação das propriedades de termoplástico reprocessado para fabrico por filamento fundido em ciclo fechado
Author: Correia, Carlos Miguel Vieira
Advisor: Neto, Victor Fernando Santos
Gonçalves, Idalina José Monteiro
Keywords: Additive manufacturing
PLA
Plastic recycling
PLA chain extension
PBO
Thermo-mechanical degradation
Defense Date: 12-Nov-2021
Abstract: Additive manufacturing technologies based on Material Extrusion (ME) have been growing, gaining popularity and maturity in the plastic processing sector. In this context, it is a major concern to establish a closed-loop plastic production system which allows to maximize the value and shell-life of the feedstocks used in these kind of manufacturing technologies, contributing to decrease their ecological footprint. Regarding ME or Fused Filament Fabrication (FFF), a possible closed-loop recycling scheme would consist of processes for material collection, preparation, and filament extrusion in order to produce 3D printing feedstocks that fits with the FFF requirements and allows to achieve new value-added parts. However, there are challenges to overcome related to the quality and performance of the recycled materials, since, after mechanical recycling, the molecular degradation of thermoplastics causes a shift on their properties, and, therefore, on their processability. In this work, it was hypothesized that the incorporation of chain extenders (CE) during the reprocessing cycle would allow to overcome these drawbacks. To attest this conjecture, the inuence of 1,3-Bis(4,5-dihydro-2-oxazolyl)benzene (PBO), a functional additive used as a CE for polylactic acid (PLA) and PLAbased blends, at a fixed concentration (1%, w/w) on mechanical, thermal, and rheological properties of recycled PLA-based filaments was studied, using virgin PLA-based material as control. PBO was able to partially recover the mechanical performance of recycled PLA-based systems, as reected by an increase in both tensile modulus and tensile strength of the filament specimens. However, these results did not corroborate with the evolution of the material's melt strength, monitored by the melt ow rate (MFR), since PBO increased the MFR of recycled PLA-based formulation. This behavior may be related to the low interaction established between PBO and PLA, as observed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). From the printability point of view, it was observed that the brittleness of each studied formulation remained as the major constraint for successfully establish a closed-loop recycling scheme for FFF.
As tecnologias de manufatura aditiva baseadas em extrusão de materiais termoplásticos como o Fabrico por Filamento Fundido (FFF) têm-se destacado, ganhando popularidade e maturidade no contexto da indústria de processamento de plásticos. Desta forma, o esbelecimento de modelos de produção de plásticos em ciclo fechado é uma área de extremo interesse, pois possibilita maximizar o valor dos materiais utilizados neste tipo de tecnologias de fabrico, contribuindo igualmente para a redução do seu impacto ambiental. No contexto do FFF, um possível sistema de reciclagem em ciclo fechado consiste nos processos de recolha, preparação dos materiais e extrusão de filamento com o objetivo de conformar o material de forma a que este possa cumprir os requisitos da tecnologia, possibilitando a produção de componentes de valor acrescentado. Contudo, existem um conjunto de desafios associados à qualidade e performance dos materiais reciclados, dado que, após a aplicação dos processos de reciclagem mecânica, a degradação ao nível molecular a que os materiais termoplásticos são sujeitos irá provocar uma alteração nas suas propriedades e, consequentemente, nas suas condições de processamento. Neste estudo, é colocada a hipótese de, através da utilização de extensores da cadeia (EC) polimérica durante o ciclo de reprocessamento, ultrapassar as limitações relacionadas com a excessiva degradação do material. Neste sentido, a influência do 1,3-Bis(4,5-dihydro-2-oxazolyl) benzene (PBO), um aditivo funcional utilizado como extensor da cadeia para o ácido poliláctico (PLA) e formulações baseadas em PLA, a uma dada concentração (1%, m/m), nas propriedades mecânicas, térmicas e reológicas do material foi estudada, utilizando PLA virgem como material de controlo. A incorporação do PBO permitiu a recuperação parcial das propriedades mecânicas dos sistemas baseados em PLA reciclado, refletido pelo aumento do modulo de elasticidade e da tensão de rotura nas amostras de filamento. No entanto, estes resultados não são comprovados pela evolução da fluidez do material, monotorizada através do índice de fluidez (MFR), dado que o PBO contribuiu para o aumento do MFR das formulações baseadas em PLA reciclado. Este comportamento pode estar relacionado com a interação limitada entre o PBO e o PLA, observada através da espetroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). Na perspetiva da capacidade de impressão, o comportamento frágil do material foi identificado como a maior limitação ao estabelecimento de um sistema de reciclagem em ciclo fechado para aplicações na tecnologia de FFF.
URI: http://hdl.handle.net/10773/33123
Appears in Collections:UA - Dissertações de mestrado
DEM - Dissertações de mestrado

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