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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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