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废弃塑料ABS的回收、改性及在3D打印中的应用

作者:user 来源:  日期:2020-01-19 14:18

引言
  随着3D打印技术的不断升级,人们对3D打印产品的质量要求逐渐提高,ABS塑料的一些问题逐渐凸显出来,其中最主要的就是ABS塑料存在受热曲翘现象,该特性往往会使得打印产品产生一定程度的尺寸误差,甚至会导致打印失败。另外,打印过程中产生的刺激性气味也是ABS塑料的一大缺陷。目前我国市场上用于3D打印的ABS丝材品种众多,但产品之间的品质差异很大,如何获得高品质的ABS塑料将直接影响3D打印产品的尺寸精度和使用性能。
  本文研究了ABS废料的各种纯化和改性,并探索其在3D打印中的潜在应用。
  实验过程
  初步纯化。初步纯化需要清洗废料表面附着的粉尘、金属氧化物等。配置1mol/L的稀盐酸溶液,称量10gABS废料置于烧杯中,加入1mol/L的稀盐酸溶液500mL,进行磁力搅拌30分钟,静置,将浮在水面上的ABS过滤,在60℃的条件下烘干待用。
  进一步纯化。平行取数份500mg稀盐酸洗过的ABS,分别用不同溶剂溶解。考察其溶解性和溶解速率。再分别用适量水或乙醇作为不良溶剂倒入以上各体系中,查看析出沉淀的效果。多次重复溶解析出,根据效果筛选出最佳溶剂组合。
  重复上2个步骤,确保ABS表面和内部纯化干净,最后进行扫描电镜表征。
  选择上个步骤中的最优组合,掺杂1%~5%质量比的顺丁二烯弹性橡胶体,把溶液混合均匀,析出沉淀后在真空80℃的条件下干燥过夜。利用双螺旋挤出机造粒,利用压片机压制成标准样,用万能材料实验机测试其力学性能,主要测试其拉伸强度和断裂伸长率。
  将改性后的ABS用于3D打印,观察其打印性能和最后成型情况。
  实验结果
  纯化结果
  在有机溶劑溶解实验中,我筛选了不同的有机溶剂,观察其溶解情况。我需要将ABS完全溶解,以便释放其中可能包裹的杂质。通过实验发现,二氯甲烷溶解最好,溶液呈均相,且放置7天后依然稳定,而其他溶剂溶解不完全,或者部分溶解、溶胀,因此后面的纯化我都选择二氯甲烷作为溶剂。
  在不良溶剂析出沉淀的操作过程中,把溶解了ABS的二氯甲烷溶液分别置于乙醇和水中后发现,乙醇的沉淀效果更好,而在水中得到的是黏稠状的物质,不利于分离,所以我选择乙醇作为不良溶剂。
  经过实验步骤1和2的反复筛选,我得出最优的溶剂组合为二氯甲烷和乙醇体系。由于顺丁二烯弹性体溶于二氯甲烷,我们将二氯甲烷和乙醇体系用于溶液改性中,图1从左向右依次为ABS再生料、纯化过后的ABS样品及通过掺杂3%顺丁二烯弹性体改性后得到的样品。通过溶解洗涤改性,ABS材料在洗涤后颜色变白,这是因其表面的灰尘和内部杂质被洗掉,而改性后的ABS呈微黄色,这是因为顺丁二烯弹性体掺杂的缘故。
  改性后的扫描电镜观察结果
  如图2,对比未改性前的ABS,不同比例顺丁二烯改性的ABS均能观察到明显的两相海岛状结构,这说明表面改性确实起到了恢复ABS原有结构的作用,同时也说明了ABS再生料在多次使用后其中的顺丁二烯橡胶相遭到破坏,我们利用溶液混合改性的方法确实能够使顺丁二烯均匀添加到ABS中去。
  力学表征
  未改性之前的ABS拉伸模量为30.43MPa,不同比例顺丁二烯掺杂改性的ABS拉伸模量基本都处于23~31MPa间。3%比例改性的ABS断裂伸长率达到26.84%,较未改性之前提高了7倍多,但1%和5%改性的断裂伸长率都几乎为0,这可能是因为过多或过少的顺丁二烯使得ABS中A、B和S的比例不协调,导致材料异常变脆。根据文献,ABS的B相(丁二烯)一般处于5%~30%,说明本实验用的ABS再生料B相损失了3%左右。
  打印过程
  使用改性后的ABS塑料进行3D打印实验,打印过程顺利,成型可控良好。图3为打印的一个实物零件。
  分析与结论
  本文通过对ABS废料二次纯化,不同百分比顺丁二烯弹性体掺杂改性,在添加3%顺丁二烯的样品中,其断裂伸长率达到26.84%,显著改善了ABS使用中变脆的现象。在3D打印中成型良好可控。有望在实际生产中运用。
  本实验具有很强的创新性。创新点主要在于对废弃ABS塑料的回收和清洗,并对其进行化学改性以提高其性能,属于环境友好型课题。
  展望
  本实验证明了ABS废料经过纯化改性,可以应用在3D打印领域。在此基础上,可以优化纯化方法,改变纯化使用溶剂用量、洗涤时间、溶剂种类等,尤其是解决使用的有机溶剂的回收问题,将进一步降低ABS废料的再加工使用成本,具有重要意义。今后将进一步开发纯化改性后的ABS材料加工工艺,将其制成各种规格板材、片材、造粒等,满足不同类型3D打印机的原料需求。
  专家评语
  该项目利用废弃ABS塑料经纯化改性后变为可用于3D打印的原料。制作过程简单,成本低廉,添加少量改性剂即可获得符合力学性能的材料。该项目回收改性方法有创新,应用目标也新。但项目测试数据不够全面,实验材料种类单一,欠缺多种材料的对比。建议细化材料力学性能的测试,增加其他类似材料的实验对比(包括力学性能和成本核算等)。

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