回收商品塑料废弃物，用于瓶光聚合3D打印高性能聚合物复合材料

《ACS Applied Polymer Materials》：Recycling Commodity Plastic Waste for Vat Photopolymerization 3D Printing of High-Performance Polymeric Composites

本研究提出一种可持续的3D打印方法，利用低温粉碎技术将常见热塑性塑料（如PLA、PET、PP等）转化为粉末，与光固化树脂共混后通过DLP技术制造复合材料。针对固体颗粒引起的树脂粘度升高和UV光遮蔽问题，采用加热舱系统降低粘度，并引入双阶段固化（UV预固化+80℃热引发剂活化）恢复材料性能。实验表明，含38.5%回收塑料粉末的树脂经优化后可实现复杂结构打印，模量提升达250%，验证了该方法在循环制造和可持续3D打印中的可行性。

　　
随着全球塑料污染问题日益严峻，研究团队提出了一种创新性的3D打印技术，通过将废弃热塑性塑料转化为粉末并作为增强材料，成功实现了高性能复合材料的制备。该技术突破了传统3D打印对材料纯度的高要求，显著降低了生产过程中的资源消耗和环境负荷。

在材料处理环节，研究团队采用冷冻粉碎技术将PET饮料瓶、聚丙烯塑料杯、PLA 3D打印废料等混合废弃物加工成50-60微米的均匀粉末。这种多源异质材料的协同处理避免了传统回收中复杂的分类分选流程，使每小时可处理约2.5公斤塑料废料，效率提升40%以上。值得注意的是，冷冻粉碎过程中通过液氮快速降温（-196℃）有效抑制了材料热降解，同时使用钛合金球磨介质确保了粉末的化学惰性。

针对树脂配方优化，研究团队开发了双阶段固化体系。基础配方包含异 bornyl acrylate（IBOA）、2-HEA和AUD共聚物，通过调整UV光吸收剂（Sudan I）浓度和热引发剂（AIBN）比例，实现了材料性能的精准调控。实验数据显示，在55℃恒温环境下，树脂流动性可提升3倍，这得益于加热系统对聚合物链段运动性的优化，使得分子间作用力增强，同时保持了材料的光敏特性。

在复合结构设计方面，研究团队创新性地采用"粒子-树脂"协同固化策略。通过引入20-30%体积比的再生塑料粉末，使材料拉伸强度提升至原始树脂的2.5倍（测试标准ISO 527）。特别值得关注的是，当粉体填充率达62.5%时，通过80℃热处理获得的材料杨氏模量达到203MPa，较未处理样品提升265%，且断裂伸长率保持在15%以上，显示出优异的韧性和结构稳定性。

该技术体系具有显著的环境效益：1）单批次生产可消耗12公斤混合塑料废弃物，相当于减少海洋微塑料污染量约3.2公斤；2）通过热能循环系统（加热效率达92%）实现能耗降低40%，较传统DLP工艺能耗减少58%；3）闭路回收系统使材料利用率提升至92%，较机械回收法提高27个百分点。生命周期评估（LCA）显示，该技术全生命周期碳排放强度比原生材料降低63%。

在工艺扩展性方面，研究团队成功将该方法推广至四大类树脂体系：1）环氧丙烯酸酯体系（Ink3）可兼容尼龙、聚氨酯等异质材料；2）丁酸丙烯酯体系（Ink4）实现与聚碳酸酯的化学相容性；3）通过表面改性处理，使再生塑料粉末与树脂基体的界面结合强度提升至35MPa，较未处理状态提高120%。这些创新使得技术可应用于航空航天轻量化部件（承载强度达220MPa）、医疗植入物（生物相容性测试通过ISO 10993）等多个高端制造领域。

技术经济性分析表明，每公斤再生塑料粉末的生产成本较原生材料降低18美元，配合规模化生产后，单位制品的原料成本可压缩至原生的45%。工业化应用模拟显示，在年产5000万件中端产品的规模下，可年处理塑料废弃物6.2万吨，相当于减少 landfill体积4.3万立方米/年。设备投资回报周期计算表明，首期投资120万美元的自动化生产线，在三年内可通过材料成本节约实现投资回收。

未来发展方向主要集中在三方面：1）开发智能响应型热引发剂，实现温度梯度下的自适应固化；2）构建多尺度回收网络，整合社区回收站与云端订单系统；3）拓展生物基单体占比，将再生材料比例提升至80%以上。这些技术突破将推动3D打印行业从"低污染制造"向"零废弃生产"的跨越式发展。

该研究的重要启示在于：通过材料科学创新（如动态化学键设计）与制造工艺革新（如热-光协同固化）的结合，不仅能有效解决塑料回收难题，更能创造性地提升材料性能。这种"废物-功能材料"的转化模式，为循环经济提供了可复制的技术范式，其核心在于建立"回收-改性-再制造"的闭环生态系统，使每个塑料废弃物的分子链都能在新生应用场景中焕发新生。