Development of a novel bio-based unsaturated polyester for 3D printing applications

This thesis project continued the research of the Laboratory of Chemistry and Characterization of Innovative Polymers (ChIP Lab) of Politecnico di Milano. It focused on perfecting previous research for the preparation of a fully bio-based unsaturated polyester resin for composite manufacturing, with an expanded focus on the feasibility of a new manufacturing process, additive manufacturing. It conjugated two major trends in the industry: the need of novel materials and new processes for the transition from a linear economic model to a more sustainable circular economy. As such, its main aims were i) the synthesis of a suitable bio-based unsaturated polyester from ester derivates of carboxylic acids used in previous research in ChIP Lab, and ii) the printing of a glass fiber reinforced composite using a custom-made 3D printer. The first step was the polycondensation of the polyester resin using 2,5-dimethyl furandicarboxylate (2,5-FDCA), dimethyl itaconate (DMI), 1,2-propandiol (1,2-PD) and 1,3-propandiol (1,3-PD), in a ratio predetermined in previous research. The resulting polymers were characterized through gel permeation chromatography (GPC), differential scanning calorimetry (DSC), fourier-transformed infrared spectroscopy (FT-IR), 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and rheological analysis. The unsaturated polyester resins that were obtained showed Tg in the range of -9/-28 °C, and an average molecular weight of 1100/1500 g/mol. The trend was that 1,2-PD increased the Tg, while 1,3-PD increased the molecular weight. The UP resins were then mixed with suitable additives and virgin glass fibers and printed through a specially in-house modified 3D printer. After the curing process, the obtained composited were then mechanically characterized through tensile tests.

Questo progetto di tesi è stato un proseguimento del lavoro di ricerca di “the Laboratory of Chemistry and Characterization of Innovative Polymers (ChIP Lab)” presso il Politecnico di Milano. Si è concentrato sul perfezionare le precedenti ricerche sulla sintesi di un polimero da fonti interamente bio da utilizzare come matrice per un materiale composito, con un nuovo interesse riguardo alla possibilità di utilizzare tale composito nell’ambito della manifattura additiva. Segue due grandi tendenze nell’industria moderna: quella di ottenere materiali e processi produttivi nuovi, in grado di facilitare la transizione da un modello economico lineare a un’economia circolare. Pertanto, gli scopi di questa ricerca furono i) la sintesi di un bio-poliestere insaturo appropriato, da derivati esteri degli acidi carbossilici precedentemente utilizzati presso ChIP Lab, e ii) lo stampaggio di un composito a fibre di vetro discontinue tramite una stampante 3D appositamente modificata. Il primo passaggio di questo lavoro fu la policondensazione di una resina di poliestere utilizzando il 2,5-dimetil furandicarbossilato (2,5-FDCA), dimetil itaconato (DMI), 1,2-propandiolo (1,2-PD) e 1,3-propandiolo (1,3-PD), in un rapporto determinato dai precedenti lavori sperimentali. I polimeri sintetizzati sono stati successivamente caratterizzati tramite cromatografia (GPC), calorimetria (DSC), spettroscopia infrarossa (FT-IR), spettroscopia tramite risonanza magnetica (NMR) e analisi reologiche. Le resine poliesteriche insature ottenute hanno mostrato Tg nell’intervallo di -9/-28°C e un peso molecolare medio di 1100/1500 g/mol. L’andamento osservato è che l’uso di 1,2-PD incrementa la temperatura di transizione vetrosa, mentre il 1,3-PD incrementa il peso molecolare. Le resine insature ottenute furono miscelate con additivi adatti e fibre di vetro vergine, stampate da una stampante 3D appositamente modificata. A termine del processo di reticolazione, i compositi ottenuti furono caratterizzati meccanicamente tramite prove a trazione.