阿联酋研究人员利用回收3D打印废料开发碳纤维增强塑料，实现聚脂酸材料可持续发展
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发布于：2022-06-06
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2022年6月3日，来自阿拉伯联合酋长国大学的研究人员正在探索利用回收的3D打印PLA和碳纤维废料开发再生复合材料。
自一个多世纪前发明塑料以来，塑料的消耗量一直在上升，造成了废物污染，对人类和地球生态系统的其他部分都构成了挑战。特别是在最近几年，人们一直在推动 "绿色倡议"，努力实现一个更可持续的社会。其中一项举措是回收，即像3D打印聚乳酸废料这样的聚合物被重新用于新的应用。
同样，多年来，复合材料的需求也在增加，碳纤维增强材料在传统制造业和3D打印中都有应用。与聚合物一样，碳纤维在汽车和航空航天等行业的广泛使用正在助长不断恶化的废物污染问题。
为此阿联酋的研究人员找到了一种一举两得的方法：将两种不同的废物流重新利用，并解决复合材料领域的材料需求。
△一个碳纤维复合片。图片来自Furo Systems。
碳纤维增强的聚乳酸
聚乳酸，或称PLA，是一种生物基聚合物，它是利用糖发酵过程中产生的乳酸制造。它最初是作为一种更环保的原油基聚合物的替代品，在技术上是可以生物降解的（尽管是在工业堆肥条件下）。除了是桌面3D打印领域最广泛使用的聚合物外，聚乳酸在包装、一次性杯子等方面也有多种应用。
虽然它非常具有成本效益，易于加工，并且易于3D打印，但纯PLA的热稳定性和机械稳定性很差，所以它不适合任何高性能应用。
改善聚乳酸材料特性的一种方法是使用添加剂，如碳纤维增强剂，因为碳纤维复合材料可以提供机械性能和耐热性的出色耦合。
△碳纤维废料（a，c）与3D打印的聚乳酸废料（b）在双螺杆挤出机（d）中混合，以创造再生的复合材料配方。图片来自阿联酋大学。
再生复合材料的性能如何？
为了制造他们的再生复合材料，研究团队从阿联酋大学的原型实验室收集了剩余的3D打印聚乳酸。为了获得复合材料中的碳纤维元素，它们选用了CF预浸板和碳纤维板的废料。聚乳酸和碳纤维废料被切碎、研磨、混合，并以不同比例的添加剂熔融混合。
然后，研究小组将这些配方热压成“狗骨”样品，并使用通用试验机来表征回收复合材料的机械性能。
有趣的是，研究人员发现，添加剂的百分比和填充物的类型都对机械性能有影响。例如，20%的碳纤维复合材料的弹性模量比20%的碳纤维-预浸料片复合材料高。
总而言之，碳纤维增强材料普遍提高了聚乳酸的强度，20%的碳纤维复合材料具有最高的屈服强度。然而，更高的加固百分比也被发现对材料的延展性有更大的负面影响。
这项工作表明，有可能同时回收聚乳酸和碳纤维，以开发具有可调整特性的绿色复合材料。作者希望他们的项目可以作为一个垫脚石，让其他人研究更有效的方法，为工业创造回收的复合材料。
△回收的复合材料的应力-应变曲线。图片来自阿联酋大学。
该研究的进一步细节可在题为 "碳纤维/聚乳酸再生复合材料/Carbon Fiber/PLA RecycledComposite"的论文中找到。
在3D打印领域，环保材料的研发一直都是一个活跃的市场。就在这个月，巴西石化公司Braskem发布了其第一条可持续3D打印丝材。该产品包括FL600EVA-BIO，这是一种从甘蔗原料中提取的生物基EVA长丝，以及回收的聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）产品。
在其他地方，巴斯大学的研究人员最近开发了一种新方法，只用紫外线就能使聚乳酸材料分解。通过在其成分中加入一些糖，该大学可持续发展和循环技术中心（CSCT）的科学家们表明，聚乳酸确实可以在自然条件下几小时内降解。
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