阿聯(lián)酋研究人員利用回收3D打印廢料開發(fā)碳纖維增強塑料，實現(xiàn)聚脂酸材料可持續(xù)發(fā)展

2022年6月3日，南極熊獲悉來自阿拉伯聯(lián)合酋長國大學(xué)的研究人員正在探索利用回收的3D打印PLA和碳纖維廢料開發(fā)再生復(fù)合材料。

自一個多世紀前發(fā)明塑料以來，塑料的消耗量一直在上升，造成了廢物污染，對人類和地球生態(tài)系統(tǒng)的其他部分都構(gòu)成了挑戰(zhàn)。特別是在最近幾年，人們一直在推動 "綠色倡議"，努力實現(xiàn)一個更可持續(xù)的社會。其中一項舉措是回收，即像3D打印聚乳酸廢料這樣的聚合物被重新用于新的應(yīng)用。

同樣，多年來，復(fù)合材料的需求也在增加，碳纖維增強材料在傳統(tǒng)制造業(yè)和3D打印中都有應(yīng)用。與聚合物一樣，碳纖維在汽車和航空航天等行業(yè)的廣泛使用正在助長不斷惡化的廢物污染問題。

為此阿聯(lián)酋的研究人員找到了一種一舉兩得的方法：將兩種不同的廢物流重新利用，并解決復(fù)合材料領(lǐng)域的材料需求。

△一個碳纖維復(fù)合片。圖片來自Furo Systems。

碳纖維增強的聚乳酸

聚乳酸，或稱PLA，是一種生物基聚合物，它是利用糖發(fā)酵過程中產(chǎn)生的乳酸制造。它最初是作為一種更環(huán)保的原油基聚合物的替代品，在技術(shù)上是可以生物降解的（盡管是在工業(yè)堆肥條件下）。除了是桌面3D打印領(lǐng)域最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(yīng)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(wěn)定性和機械穩(wěn)定性很差，所以它不適合任何高性能應(yīng)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(fù)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，以創(chuàng)造再生的復(fù)合材料配方。圖片來自阿聯(lián)酋大學(xué)。

再生復(fù)合材料的性能如何？

為了制造他們的再生復(fù)合材料，研究團隊從阿聯(lián)酋大學(xué)的原型實驗室收集了剩余的3D打印聚乳酸。為了獲得復(fù)合材料中的碳纖維元素，它們選用了CF預(yù)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(fù)合材料的機械性能。

有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，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(fù)合材料的彈性模量比20%的碳纖維-預(yù)浸料片復(fù)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(fù)合材料具有最高的屈服強度。然而，更高的加固百分比也被發(fā)現(xiàn)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(fā)具有可調(diào)整特性的綠色復(fù)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(yè)創(chuàng)造回收的復(fù)合材料。

△回收的復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖片來自阿聯(lián)酋大學(xué)。

該研究的進一步細節(jié)可在題為 "碳纖維/聚乳酸再生復(fù)合材料/Carbon Fiber/PLA RecycledComposite"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.mdpi.com/2073-4360/14/11/2194/htm

在3D打印領(lǐng)域，環(huán)保材料的研發(fā)一直都是一個活躍的市場。就在這個月，巴西石化公司Braskem發(fā)布了其第一條可持續(xù)3D打印絲材。該產(chǎn)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(chǎn)品。

在其他地方，巴斯大學(xué)的研究人員最近開發(fā)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(xué)可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)技術(shù)中心（CSCT）的科學(xué)家們表明，聚乳酸確實可以在自然條件下幾小時內(nèi)降解。