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美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员开发了一种升级方法,可以为废弃塑料增值,以便在添加剂制造或3D打印中重复使用。这种易于采用、可扩展的方法引入了一种闭环策略,可以在全球范围内减少塑料废物,减少与塑料生产相关的碳排放。


发表在《科学进步》杂志上的研究结果详细介绍了将商品塑料升级为与工业3D打印方法兼容的更坚固材料的简单过程。

该团队对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)进行了升级,ABS是一种流行的热塑性塑料,广泛存在于汽车零部件、网球和乐高积木等日常用品中。ABS是熔融灯丝制造(FFF)的常用原料,FFF是使用最广泛的3D打印方法之一。升级版本具有增强的强度、韧性和耐化学性,使FFF能够满足标准ABS无法实现的新的更高性能应用。


聚合物向上循环在应对全球塑料废物积累日益严峻的挑战方面发挥着重要作用。每年产生约4亿吨塑料废物,主要是一次性物品,最终进入垃圾填埋场或环境。在全球范围内,只有不到10%的塑料废料被回收利用。


ORNL化学科学部的首席作者TomonoriSaito说:“我们需要一些基本的发现来克服与回收相关的成本增加和材料性能恶化的挑战。我们的目标是制定一种易于采用的策略,将塑料废料再利用,以创造出更有价值的材料,而不是产生新鲜的塑料。”


该团队的目标是加性制造,它比传统制造更具资源效率,可以实现有用且复杂的3D结构,而这些结构很难通过模塑或铸造来生产。FFF在该行业中占据最大份额,占全球市场的近70%。


ORNL的Sungjin Kim表示:“为FFF开发性能优异的新型可回收材料,为塑料生产带来巨大影响,并扩大添加剂制造能力,从而有可能减少我们的碳足迹。”


FFF打印要求材料可以通过加热喷嘴挤压或推动,形成3D结构的螺纹,像缠绕绳索一样逐层构建。作为一种对热有反应的热塑性材料,ABS在这一过程中效果很好,因为它可以很容易地流动并快速硬化成坚固的刚性结构。然而,线程堆叠和绑定的方式存在固有的弱点。开发具有优异性能的新原料可以促进FFF的高性能应用,但这些原料一直很难设计。


该团队应用“点击”化学将ABS的化学组成转化为玻璃化物,这是一种聚合物,将热塑性塑料的可加工性和可回收性与热固性(如环氧树脂)的优异机械化学性能结合在一起,而环氧树脂通常与FFF不兼容。该合成使用广泛可用的医用化合物,在温和条件下一步混合,然后加热固化。

结果表明,经过上循环处理的ABS的韧性和强度约为标准ABS的两倍,耐溶剂性增强。


研究人员以甲虫翅膀为模型,通过复杂的3D打印几何结构,证明了这种材料具有优异的抗压强度。


Saito说:“耐溶剂性具有附加价值,因为它使我们能够轻松地将改性ABS从回收方案中常见的混合、未分类的塑料废物中分离出来。”


研究小组将混合的塑料废料溶解在各种溶剂中,在每次实验中,经过更新循环的ABS保持其结构,而包括ABS在内的所有其他塑料都完全溶解。


这种方法非常通用,回收的经过更新循环的ABS可反复用于FFF,性能损失最小。它也可与混合ABS和标准ABS组合,并直接作为混合物印刷。


多路径方法可实现含有任何标准、升级或混合ABS组合的混合ABS废物的回收和升级。所有材料均与FFF兼容,无需在重印前进行分离,但可以轻松进行分离,为广泛的制造应用提供有用材料的选择。


这项工作展示了塑料制品生产的闭环,可能具有更高的价值和性能,仅在添加剂制造最易接近的领域之一使用现有的塑料废料。


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