3D打印塑料的循环经济始于材料

作者:本刊编译 发布时间:2021-02-02
当一种产品的原料生产在其对环境带来的影响中所占比重最大时,选择正确的材料至关重要。就塑料的3D打印和制造而言,生物聚合物可能是走向更可持续发展模式的第一步。

当一种产品的原料生产在其对环境带来的影响中所占比重最大时,选择正确的材料至关重要。就塑料的3D打印和制造而言,生物聚合物可能是走向更可持续发展模式的第一步。

艾伦麦克阿瑟基金会的新塑料经济项目有3个原则:第一,使用中的塑料应继续使用;第二,防止塑料暴露在环境中,同时,现有的塑料垃圾应得到回收;第三,制造商应尽可能与石化原料脱钩。

该项目的目标是建立循环经济, 或者通过对现有材料的循环利用来避免浪费以及限制对资源的消耗。就塑料而言,循环经济意味着尽可能回收和再利用现有的塑料, 以及限制生产用不可再生的石化原料制造的新的原生材料。

“在一次性使用模式中,你可以提取石化资源来制造塑料。使用一次后就填埋,这是最坏的情况。”NatureWorks的业务开发负责人Dan Sawyer说道。在过去的8年里,这家材料生产商一直是艾伦麦克阿瑟基金会的合作者,帮助其推进塑料可持续循环经济的愿景。

在此愿景中,增材制造发挥着重要作用。3D打印是对塑料材料进行再利用并以一种新的形式让其重返经济循环的一种可行方法,为在产品生命周期中更早地实现更可持续的制造提供了一个机会。可能由增材制造制成的每一种新的部件或产品,以及进入此工作流程的每一种现有部件或产品,提供了评估材料选择的机会——而且,潜在地是选择用可持续的聚合物来制造。

利用可再生资源生产塑料

“可持续聚合物”可以用几种方式来解释,但对于NatureWorks而言,这意味着塑料由可再生植物物质制成而不是不可再生的石油。该公司用于3D打印、热成型、注塑成型和其他工业化加工的材料,都是基于聚乳酸(PLA)。这种生物聚合物的制造过程是:将植物糖发酵成乳酸,再转化为丙交酯,然后使丙交酯聚合。这种生产方法可以减少碳足迹,与石油基塑料相比,生产对不可再生能源的消耗更少。

NatureWorks的PLA材料品牌Ingeo目前是由玉米制成的,但其实只要来源可靠,这种原料可以是任何产量丰富的作物。“当我们引进与石化原料脱钩的新型塑料时, 我们要确保我们不会制造更多的问题。”NatureWorks全球市场传播经理Leah Ford说,“通过艾伦麦克阿瑟基金会的新塑料经济全球承诺,我们承诺,确保我们使用的原料100%会获得环境和社会可持续发展的认证。”

 

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Ingeo PLA材料的生产工艺涉及将植物糖发酵成乳酸,然后将其转化为丙交酯,最终聚合成聚乳酸(PLA)(图片来自NatureWorks)

 

长丝生产商们则将Ingeo PLA树脂转化为3D打印长丝以备使用。在打印过程中,这些产品提供了良好的层间融合和构建平台附着力,而且收缩率低,与ABS材料相比,减少了颗粒物排放数量。Ingeo PLA拥有构建级别和支撑级别的材料, 而且已被用于从医疗保健到工业制造的3D打印领域。


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该部件是为熔模铸造而设计的,它证明了Ingeo打印材料及其支撑结构(米黄色部分)的用途(图片来自NatureWorks) 

 

处理使用寿命结束后的生物聚合物

“聚合物产品对环境的影响主要来自聚合物本身的生产过程”。Sawyer说,“如果作个比较,比如,一种由传统聚合物制成的可回收产品与一种由生物聚合物制成的可回收产品相比,几乎可以肯定的是,生物聚合物的碳足迹更低。”

虽然像Ingeo这样的生物基材料,在帮助制造商摆脱石化基塑料方面是一个重大进展,但是,材料来源只是塑料可持续循环经济的一部分,在产品生命周期结束时会发生什么,以及材料如何得到回收并返回经济循环中,这也是一个问题。对塑料而言,在循环经济中使用寿命结束时的场景可能意味着按原样再次使用该材料,将它回收利用成新的东西,或者回归其本身的自然元素。

通常,人们所说的“可生物降解”实际上是“可堆肥”。

“当你生产并向市场销售一种生物聚合物,而人们认为它是可生物降解的时候,他们甚至根本就不明白这意味着什么。”Sawyer说道。从技术上讲,该术语指定的对象可以被微生物分解,但却没有隐含时间框架——这个过程可能需要几百个月到几千年。通常人们所说的实际可堆肥的材料,描述的是一种可以分解为自然元素的材料,首先用水和热来使材料分解,然后利用微生物来使材料降解。在商业化的堆肥环境中,这一过程可以在几周或几个月内完成。可堆肥是一个受管控的术语,只适用于已获得必要认证的产品。

 

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Ingeo生物聚合物可以在两步堆肥过程中分解。首先,堆里的湿和热使聚合物链断裂并产生乳酸,然后微生物消耗较小的聚合物碎片和乳酸,最终产物是CO2、水和腐殖质,即一种土壤养分(图片来自NatureWorks) 

 

“在增材制造中,我想人们会希望堆肥是一个答案。”Sawyer说道,“但对我们来说,这不合适。堆肥工业的业务是生产有用的堆肥, 而塑料不会带来他们所想要的食物垃圾所能带来的养分。”另一个挑战在于一个物品堆肥的速度有多快,以便部件设计必须单独认证,对此,材料厚度是一个主要因素。对于增材制造所承诺的那种高混合、低产量的生产,认证就成为堆肥的一个额外障碍。

因此,NatureWorks将再利用和再循环视为其3D打印材料的最佳方案。如果一个打印产品不能以其现有的形式重新得到利用,回收PLA就有两个选择。用过的塑料可以得到研磨、熔化和造粒,或者采用机械回收工艺将其挤出制成新的原料。PLA也可以通过化学回收,这需要将材料分解成丙交酯或乳酸,或将其转化为工业溶剂。

塑料3D打印的循环经济

简而言之,塑料的循环经济涉及塑料生产商、塑料回收商以及两者之间的选择。但对于增材制造商而言,循环的目标意味着什么?以下是两个需要考虑的问题:

1. 在设计阶段仔细考虑材料的选择。处于产品生命周期初期的以及正在为增材制造开发新产品的公司,应注意不要过度使用材料。最先进的3D打印聚合物可能具有高性能属性,但也可能对环境带来更大的影响,而且再加工可能会更难。相反,应选择对环境影响最小但仍能提供所需性能的塑料,并要对其生命终结有个计划。当预订的材料中含有像玻璃纤维和碳纤维这类填料时,这些考虑尤其重要,因为生产这类材料的能耗高,且难以对用过的材料进行回收。

“每个人都认为他们需要碳纤维增强的ABS或尼龙,却没有意识到这些配混料相对于应用需求而言可能是过度设计了。”Sawyer说道,“预制混凝土模板就是一个例子。最近我们已经看到,作为胶合建筑模板的替代品,已有越来越多的3D打印模板被用于浇注混凝土。最常用的碳纤维填充ABS要比胶合板更耐用,是大批量应用的理想选择,但是,对于只能使用几次的模板而言却是过度的。” 

然而,对于需要使用增材材料的应用,还有更可持续的选择,比如,美国橡树岭国家实验室(ORNL)和美国缅因州大学已经演示了采用生物基复合材料进行的3D打印,这种复合材料是采用由木浆制成的纤维来增强Ingeo聚合物,因而能够为3D打印工装提供低碳足迹选择,如用于造船复合材料的工装,而且这种材料更易于再加工,因为纤维可以通过挤出而脱落,这样不必再将其分离出来。

 

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作为与ORNL合作的项目的一部分,在缅因州大学打印的船体证明了源自木浆的纤维可被用于增强Ingeo生物聚合物,以构成生物基复合材料(图片来自缅因州大学)

 

2. 在废料流中寻找新的机会。循环经济也可能会给增材制造商和尚未进行3D打印的公司带来新的机遇。“一次性使用的塑料在传统回收市场中的竞争,部分原因是因为终端用户市场不存在。”Ford说道。如果能够确定终端市场,3D打印可能在材料生命周期结束时为其提供新的应用机遇。

生产塑料杯和餐具的热成型公司Flo与一家实验室合作,寻找一种方法来利用其在生产一系列咖啡胶囊时所产生的废料。最终的解决办法是将这些碎片粉碎,由机器人将它们送入3D打印系统中,以制成该公司在展台上使用的家具。虽然这些家具目前只由该公司自用,但它却可能代表着新的商业机会。

 

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Flo公司将其采用Ingeo材料制造可堆肥咖啡胶囊(左)时产生的废料用于3D打印其参展时所使用的家具(图片来自NatureWorks) 

 

“Flo是将目光投向自身所处行业之外来利用自身现有的废料并为其找到新的增值用途的一个例子。”Sawyer说道。传统的塑料制造商和其他公司有可能会找到像这样的新的收益来源,同时为回收材料创造终端市场。

“从购买你需要的原材料,到寻找那些可回收、再利用和再循环的途径,目前实施循环经济和可持续发展有多种方式。”Ford说,“什么样的新技术能让我们更好地回收利用呢?我们如何从一开始在知道需要对它们回收利用的情况下来设计材料?我们如何作为一个行业来支持创建我们收集和回收材料所需要的基础设施,为这些回收材料寻找增值的终端市场?我认为这才是机会所在。”


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