多次使用与再加工循环对增材制造聚乳酸（PLA）耐久性的协同降解机制研究

本文推荐研究人员针对增材制造（AM）聚乳酸（PLA）在多次使用和再加工循环中的耐久性问题，开展老化与再加工协同作用研究。通过结合加速老化（湿热老化和气候老化）与机械回收（挤出再制造）模拟使用场景，系统评估力学性能、理化特性及分子结构变化。结果表明，湿热老化较气候老化导致更严重的性能退化，四次循环后拉伸强度和断裂应变下降超50%，再加工本身降低分子量及断裂应变但对羰基形成影响较小。多重使用场景下老化与再加工产生协同降解，热机械应力加速链断裂和性能损失。该研究为聚合物行业提升回收料含量而不牺牲性能提供重要见解，对推动塑料循环经济具有重要意义。

　　

在全球推动循环经济转型的背景下，塑料回收与再生利用已成为工业应用的新兴趋势。尽管欧洲塑料回收能力预计从2017年到2030年将实现翻倍增长，但目前仅10%的塑料得到实际回收。生物基热塑性塑料如聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）因其可再生来源和可降解特性，在减少碳足迹方面展现出巨大潜力。然而，要实现PLA在材料循环中的完全利用，必须解决其可回收性问题。虽然工业堆肥是PLA常见的末端处理方式，但机械回收在材料回收和降低能耗方面更具优势。值得注意的是，PLA作为生物可降解材料，在添加剂制造（Additive Manufacturing, AM）领域应用广泛，预计未来市场增长显著。但PLA在回收和使用过程中面临降解挑战：回收过程导致分子链断裂、氧化基团形成，使材料脆化、粘度弹性下降；使用阶段的环境因素（如紫外线、湿热条件）通过光降解、水解等机制引发性能衰退。目前研究多聚焦于老化或回收的单独影响，两者协同作用尚不明确。为此，研究人员模拟真实场景，首次探讨老化与再加工迭代循环对AM-PLA性能的耦合影响，研究成果发表在《Polymer Testing》上。

研究采用加速老化（湿热老化：40°C蒸馏水浸泡；气候老化：UVA照射与冷凝循环）与机械回收（研磨、挤出、FFF增材制造）相结合的方法，设计两种情景：情景1（单次使用）进行60天连续老化；情景2（多次使用）进行4次老化-再加工循环。通过拉伸测试、动态力学分析（DMA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、凝胶渗透色谱（GPC）、X射线计算机断层扫描（CT）和光学显微镜等技术，系统评估力学性能、粘弹性、化学结构及形态演变。

3.1. 玻璃化转变温度演变

通过DMA测定Tan(δ)峰值确定玻璃化转变温度（T_g）。结果显示，湿热老化与气候老化对T_g影响机制不同：湿热老化在情景1中先降后升，30天时最低，45天时接近初始值；气候老化则持续轻微下降（4.81%）。情景2中，湿热老化时老化使T_g上升（氢键增强），再加工使其下降（剪切力破坏结构）；气候老化下再加工主导T_g变化，首次再加工后显著降低。表明湿热老化引发更深入结构变化，而气候老化以表面降解为主。

3.2. 力学性能

拉伸测试揭示强度、模量及断裂应变演变。情景1中，湿热老化导致弹性模量（E）先增后降，60天时强度降20%，断裂应变增40%（水塑化作用）；气候老化下性能变化较小，强度稳定，断裂应变先增后降。情景2中，两者协同作用加剧性能损失：湿热老化四次循环后强度降48%，断裂应变降40%；气候老化强度降22%。再加工本身降低分子量及延展性，但与老化结合时产生协同效应，热机械应力加速链断裂。

3.3. 化学表征

FTIR分析1746 cm^-1处透光度（T₁₇₄₆），反映羰基物种形成。情景1中，湿热老化T₁₇₄₆线性下降24%，气候老化非线性降20%，表明酯键水解和光氧化均生成羰基。情景2中，再加工使表面降解产物均质化，T₁₇₄₆变化减弱（仅7%），说明再加工稀释表面化学变化。GPC测分子量（M_n, M_w）及多分散指数（PDI）。情景1中湿热老化使M_n/M_w降20%，PDI先降后升；气候老化降8%，PDI稳定。情景2中再加工主导分子量下降（5–15%），湿热老化下PDI受老化影响大（末端水解），气候老化下再加工引起PDI上升（随机链断裂）。

研究结论表明，湿热老化比气候老化引发更严重的性能退化，主因酯键水解；再加工降低分子量和断裂应变，但对羰基形成影响较小；多重使用场景下老化与再加工产生协同降解，热机械应力加速链断裂和性能损失。该工作首次揭示使用与末端处理阶段的耦合降解机制，强调模拟真实场景对评估塑料回收性的重要性，为聚合物行业提升回收料含量而不牺牲性能提供关键见解，对推动塑料循环经济具有重要实践意义。