阿拉伯聯合酋長國大學的研究人員正在探索利用剩余的3D打印 PLA 和碳纖維廢料開發可回收復合材料。

 

自一個多世紀前發明塑料以來，塑料的消耗量一直在上升，產生污染的廢料對人類和地球生態系統的其他部分都構成了挑戰。特別是在近幾年，人們一直在推動 "綠色倡議"，努力實現一個更可持續的社會。其中一項舉措是回收，即像3D打印聚乳酸（PLA）廢料這樣的聚合物被重新用于新的應用。

同樣，多年來，復合材料的需求也在增加，碳纖維增強材料在傳統制造業和3D打印中都有應用。與聚合物一樣，碳纖維在汽車和航空航天等行業的廣泛使用正在助長不斷惡化的廢料污染問題。

 

阿聯酋的研究人員借此機會找到了一種一石二鳥的方法：將兩種不同的廢物流重新利用，并解決復合材料領域的材料需求。

 

碳纖維增強聚乳酸(C/PLA)

 

聚乳酸，或稱PLA，是一種生物基聚合物，它是利用糖發酵過程中產生的乳酸制造。它初是作為一種更環保的原油基聚合物的替代品，在技術上是可以生物降解的（盡管是在工業堆肥條件下）。除了是桌面3D打印領域廣泛使用的聚合物外，聚乳酸在包裝、一次性杯子等方面也有多種應用。雖然它非常具有成本效益，易于加工，并且易于3D打印，但純PLA的熱穩定性和機械穩定性很差，所以它不適合任何高性能應用。改善聚乳酸材料特性的一種方法是使用添加劑，如碳纖維增強劑，因為碳纖維復合材料可以提供機械性能和耐熱性的出色耦合。

 

△碳纖維廢料（a，c）與3D打印的聚乳酸廢料（b）在雙螺桿擠出機（d）中混合，形成可回收的的復合材料配方。

 

為了制造他們的再生復合材料，研究團隊從阿聯酋大學的原型實驗室收集了剩余的3D打印聚乳酸。為了獲得復合材料中的碳纖維元素，它們選用了CF預浸板和碳纖維板的廢料。聚乳酸和碳纖維廢料被切碎、研磨、混合，并以不同比例的添加劑熔融混合。

然后，研究小組將這些配方熱壓成“狗骨”樣品，并使用通用試驗機來表征回收復合材料的機械性能。

 

有趣的是，研究人員發現，添加劑的百分比和填充物的類型都對機械性能有影響。例如，20%的碳纖維復合材料的彈性模量比20%的碳纖維-預浸料片復合材料高。

 

總而言之，碳纖維增強材料普遍提高了聚乳酸的強度，20%的碳纖維復合材料具有高的屈服強度。然而，更高的加固百分比也被發現對材料的延展性有更大的負面影響。

 

這項工作表明，有可能同時回收聚乳酸和碳纖維，以開發具有可調整特性的綠色復合材料。作者希望他們的項目可以作為一個墊腳石，讓其他人研究更有效的方法，為工業創造回收的復合材料。

 

回收的復合材料的應力-應變曲線。

 

在3D打印領域，環保材料的研發一直都是一個活躍的市場。就在這個月，巴西石化公司Braskem發布了其條可持續3D打印絲材。該產品包括FL600EVA-BIO，這是一種從甘蔗原料中提取的生物基EVA長絲，以及回收的聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）產品。

 

在其他地方，巴斯大學的研究人員近開發了一種新方法，只用紫外線就能使聚乳酸材料分解。通過在其成分中加入一些糖，該大學可持續發展和循環技術中心（CSCT）的科學家們表明，聚乳酸確實可以在自然條件下幾小時內降解。