強固な機械的性能と形状記憶特性を持つバイオマスフラン系ポリエステルの3Dプリンティング

3D-printing of biomass furan-based polyesters with robust mechanical performance and shape memory property.

抄録

3Dプリンティングは、新素材を構造部品やインテリジェント部品として実現するための実現可能な技術である。本研究では、バイオマスフラン系ポリエステルであるポリ（エチレンフラノエート）（PEF）、ポリ（トリメチレンフラノエート）（PTF）、およびポリ（ブチレンフラノエート）（PBF）を、溶融重縮合プロセスを通じて5Lリアクターで合成し、3Dプリント用原料として作製することに成功した。その結果、3種類のフラン系ポリエステルが複雑な構造に付加製造されることが実証された。さらに、ジオールモノマーの鎖長によって、フラン系ポリエステルの機械的特性と熱的特性を調整することができた。3DプリントしたPEF、PTF、PBFの機械的性能を評価し、市販のフィラメントと比較した。PEFとPTFの引張強度はそれぞれ74.6MPaと63.8MPaに達し、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリアミド（PA）、ポリ乳酸（PLA）よりも優れた引張特性を示した。一方、圧縮の結果、PEFとPTFはそれぞれPEEKとPLAに匹敵するエネルギー吸収能力を有しており、フラン系ポリエステルの優れた機械的特性が示された。PTFが優れた形状記憶特性を有することを証明するために、ソリッドキューブ、バイオニックフラワー、格子構造などの3Dプリント構造が採用されたことは興味深かった。したがって、提案されたバイオマスフラン系ポリマーは、3Dプリンティングの分野でより多くの自由度を提供するであろう。

3D-printing provides a feasible technique for realizing new materials into structural and intelligent parts. In this work, biomass furan-based polyesters poly (ethylene furanoate) (PEF), poly (trimethylene furanoate) (PTF), and poly (butylene furanoate) (PBF) were successfully synthesized in a 5 L reactor through the melt polycondensation process and fabricated into 3D-printing feedstocks. It was demonstrated that the three furan-based polyesters were additively-manufactured into complicated structures. Besides, the mechanical and thermal properties of furan-based polyesters could be tailored by the chain length of diol monomer. The mechanical performance of 3D-printed PEF, PTF and PBF were characterized and compared with commercial filaments. The tensile strength of PEF and PTF could reach 74.6 and 63.8 MPa respectively, which exhibited superior tensile property to poly(ether-ether-ketone) (PEEK), polyamide (PA) and polylactic acid (PLA). Meanwhile, the compression results demonstrated that the PEF and PTF possessed comparable energy absorption capacity with PEEK and PLA respectively, which indicated excellent mechanical properties of furan-based polyesters. It was interesting to find that the 3D-printed structures including solid cube, bionic flower and lattice structures were employed to prove that the PTF possessed excellent shape memory properties. Therefore, the proposed biomass furan-based polymers would offer more freedom in the field of 3D-printing.