Impression 3D et modification de surface in situ via polymérisation de transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible de type I

Résumé

Le présent protocole décrit l’impression 3D numérique de matériaux polymères basée sur le traitement de la lumière à l’aide de la polymérisation réversible de type I par transfert de chaîne addition-fragmentation photoinitiée et la post-fonctionnalisation ultérieure du matériau in situ via une polymérisation à médiation superficielle. L’impression 3D photoinduite fournit des matériaux avec des propriétés en vrac et interfaciales personnalisées et contrôlées spatialement de manière indépendante.

Résumé

L’impression 3D permet d’accéder facilement à des matériaux géométriquement complexes. Cependant, ces matériaux ont des propriétés intrinsèquement liées en vrac et interfaciales en fonction de la composition chimique de la résine. Dans les travaux actuels, les matériaux imprimés en 3D sont post-fonctionnalisés à l’aide du matériel de l’imprimante 3D via un processus de polymérisation secondaire initié en surface, offrant ainsi un contrôle indépendant sur les propriétés du matériau en vrac et interfacial. Ce processus commence par la préparation de résines liquides, qui contiennent un monomère monofonctionnel, un monomère multifonctionnel de réticulation, une espèce photochimiquement labile qui permet l’initiation de la polymérisation et, surtout, un composé thiocarbonylthio qui facilite la polymérisation réversible du transfert de chaîne addition-fragmentation (RAFT). Le composé thiocarbonylthio, communément appelé agent RAFT, intervient dans le processus de polymérisation de croissance en chaîne et fournit aux matériaux polymères des structures de réseau plus homogènes. La résine liquide est durcie couche par couche à l’aide d’une imprimante 3D numérique de traitement de la lumière disponible dans le commerce pour donner des matériaux tridimensionnels ayant des géométries contrôlées spatialement. La résine initiale est retirée et remplacée par un nouveau mélange contenant des monomères fonctionnels et des espèces photoinitiantes. Le matériau imprimé en 3D est ensuite exposé à la lumière de l’imprimante 3D en présence du nouveau mélange de monomères fonctionnels. Cela permet à la polymérisation photoinduite initiée par la surface de se produire à partir des groupes d’agents RAFT latents à la surface du matériau imprimé en 3D. Compte tenu de la flexibilité chimique des deux résines, ce processus permet de produire une large gamme de matériaux imprimés en 3D avec des propriétés en vrac et interfaciales personnalisables.

Introduction

La fabrication additive et l’impression 3D ont révolutionné la fabrication de matériaux en fournissant des voies plus efficaces et plus faciles pour la fabrication de matériaux géométriquement ^complexes1. Outre les libertés de conception accrues dans l’impression 3D, ces technologies produisent moins de déchets que les procédés de fabrication soustractifs traditionnels grâce à l’utilisation judicieuse de matériaux précurseurs dans un processus de fabrication couche par couche. Depuis les années 1980, une large gamme de différentes techniques d’impression 3D a été développée pour fabriquer des composants polymères, métalliques et

Protocole

1. Préparation du programme d’impression 3D et de l’imprimante 3D

1. Concevez le modèle numérique pour l’impression 3D en suivant les étapes ci-dessous.
   1. Ouvrez un programme de conception assistée par ordinateur (voir Tableau des matériaux).
   2. Dans le plan x-y, créez un rectangle centré sur l’origine ayant des dimensions de 80 mm x 40 mm, puis extrudez le long de l’axe z positif pendant 1,5 mm pour former un prisme rectangulaire solide, appelé objet de base.
   3. Au-dessus de l’objet de base, c’est-à-dire à z = 1,5 mm, dessinez les motifs de surface souhaités (dans ce cas, deux symboles yin-yang) sur la su....

Résultats

La procédure générale pour l’impression 3D et la fonctionnalisation de surface est illustrée à la figure 1. Dans ce protocole, un polymère réseau est initialement synthétisé via un procédé de polymérisation RAFT photoindustré15, à l’aide d’une imprimante 3D pour fabriquer un objet dans un processus couche par couche (Figure 1A). La résine en vrac utilisée pour former le réseau de polymères contient une espèce initiatrice photolab.......

Discussion

Le présent protocole démontre un procédé d’impression 3D de matériaux polymères ayant des propriétés en vrac et interfaciales accordables indépendamment. La procédure est effectuée via une méthode en deux étapes en imprimant en 3D le substrat de base et en modifiant ensuite la couche superficielle de l’objet imprimé en 3D en utilisant une résine fonctionnelle différente mais en utilisant le même matériel d’impression 3D. Alors que les imprimantes 3D utilisées dans ce travail sont conçues pour imprimer des matéri.......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Méthacrylate de 1-pyrénéméthyle	Sigma-Aldrich	765120
2-(n-butylthiocarbonothioylthio) acide propanoïque	Bore Moléculaire	BM1640
Imprimante 3D	Photon	Mono S	intensité lumineuse à la surface du masque numérique = 0,81 mW cm-2
Impression 3D Logiciel de découpage		Photon Photon Workshop V2.1.19
Bain à ultrasons 40 kHz	Thermoline	UB-410
Réservoir d’air comprimé	Coregas	230142	fonctionnant à 130 kPa
Programme de conception assistée par ordinateur	SpaceClaim SpaceClaim	Design Manager V19.1
Oxyde de diphényle (2,4,6-triméthylbenzoyle) phosphine	Sigma-Aldrich	415952
Éthanol non dénaturé 100 % AR	ChemSupply	EL043-2.5L-P
Ethanol Flacon toilette	Rowe Scientific	AZLWGF541P
Fluorescence Imager	Bio-Rad	Gel Doc XR+	Utilise une lampe à décharge de gaz de 302 nm comme source d’émission
Capteur d’intensité lumineuse Capteur d’intensité lumineuse	Newport	843-R
Testeur mécanique	Mark&ndash ; 10	ESM303	Dynamomètre 1 kN M5&ndash ; 200
Film plastique moulable	Parafilm	PM992
N,N-diméthlacrylamide	Sigma-Aldrich	274135
N,N-Diméthylformamide HPLC	ChemSupply	LC1051-G4L
Poly(éthylène glycol) diacrylate moyen Mn 250	Sigma-Aldrich	475629
Lampe post-polymérisation	Leoway	&lrm ; B0869BY79P	60 W 405 nm
Document des normes	ASTM	ASTM Norme D638-14
Machine d’essai de traction	Mark-10
Lumière UV	Fisher Scientific	11-982-30	6 W Spectroline E-Series, Lampe à décharge de gaz
Vortex Mixer IKA Vortex 3	LabTek	3340000I