発泡スチロールの未来を変える可能性がある3Dプリンティング方式

May, 8, 2025, Dallas--たとえわれわれがいつもそれを見ているわけではないとしても、シートクッションからマットレス、断熱材まで、発泡スチロールはどこにでもある。
現在、テキサス大学ダラス校(University of Texas at Dallas)の研究チームは、化学と技術を融合させ、多くの日用品に見られるポリマフォームよりも耐久性が高く、リサイクル可能な3Dプリントフォームを作成した。

この研究は、英国王立化学会(Royal Society of Chemistry)の学術誌RSC Applied Polymersの3月1日発行の印刷版に掲載された。「3Dプリント可能な頑丈で軽量なフォームの作成に焦点を当てており、この方法は商業製造ではまだほとんど探求されていない」と、研究の共同筆頭著者であるテキサス大学ダラス校の博士課程の学生であるレベッカ・ジョンソン(Rebecca Johnson BS’20)はコメントしている。

「これはおそらく私がこれまでに行ったプロジェクトの中で最も長いプロジェクトである」と、5月に化学の博士号を取得する予定のジョンソンは話している。その多くは、ポリマの配合を3Dプリンタと互換性を持たせるために行われていた」。

Johnsonによると、3Dテクノロジーと互換性のある新しい材料を作ることは困難だが、3Dプリンティングのプロセスにより、研究者たちは製造アプリケーションでカスタマイズできる複雑な形状を作成することができた。概念実証を照明するために、研究チームは風船の犬の形をしたフォームを製造した。チームは、YouTubeのビデオでも自分たちの仕事について説明した。

「このプロジェクトの目標は、ポリマフォームの製造に関する3Dプリンティングのいくつかの限界に対処することだった。3Dプリント可能フォームの主な用途、または関心の1つは、断熱材と衝撃吸収である」と、自然科学数理学部の化学および生化学の准教授、研究責任著者Dr.Ron Smaldoneはコメントしている。

Smaldoneによると、より多くの研究と実験により、このタイプのフォームとプロセスは、オートバイやサッカーのヘルメット、車のバンパー、アーマーなどの衝撃吸収性の高いアイテムに使用できるようになる。また、Smaldoneは、3Dプリンティングにより、微細な格子などのより複雑な構造を作成できるため、材料の物理的な柔軟性が向上し、アプリケーションの汎用性が向上することも指摘している。

研究チームは、3Dプリントして多くの欠陥なく一貫した最終製品にできる材料を作る方法も検討した。市販のフォームのほとんどは熱硬化性で、成形中に化学反応を起こして構造を永久に固定し、形状変更、溶融、溶解を防ぐ。その結果、ほとんどのポリマフォームはリサイクルできず、最終的には埋め立て地に送られる。

UT Dallasの研究者は、動的共有化学と呼ばれる特別な可逆結合を使用して耐久性のあるフォームを開発した。フォームはプラスチックのように完全に溶かして形を変えることはできないが、これらの結合により、損傷したときに材料が自己修復できるため、より用途が広く、長持ちする。
「これをやろうとしているのはわれわれだけではないことは確かだ。目新しいのは、ダイナミックケミストリーを使用して、非常に優れたフォーム材料をプリントすることである。次に取り組むべき問題は、プロパティをどのように調整し、この新しい種類の知識を使用して様々な異なるニーズに適合させるかということだ」(Smaldone)。

Johnsonとこの研究のもう一人の共同筆頭著者である化学博士課程の学生Ariel Tolfree BS’23は、この分野で同様の研究を研究した後、アイデアを発展させた。JohnsonをメンターとしているTolfreeは、発泡スチロールをよりリサイクル可能にする方法を検討し、発泡スチロールの持続可能性の可能性を探求することで、研究を拡大することを計画している。

Tolfreeは、「グループのテストオブジェクトの1つとして発泡スチロールバルーンドッグを作成することは自然な選択だった」語っている。

「シンプルな形状だが、われわれのフォームを完璧に表現している。風船は、何か新しいものに捻れるまでは普通に見える。ほとんど予想を裏切っている。われわれのフォームも同じで、最初は控えめだが、一度拡大して変形すると、素晴らしいものになる」とTolfreeはコメントしている。