多循环回收对聚碳酸酯机械性能的影响：熔融颗粒制造技术的可持续应用研究

为解决塑料废弃物回收利用中的材料性能退化问题，研究人员通过熔融颗粒制造(FGF)技术系统研究了多循环回收对再生聚碳酸酯(rPC)热稳定性、机械性能及微观结构的影响。结果表明，rPC在10次循环后仍保持部分力学性能，FGF技术可节省84%打印时间，为可持续增材制造提供了新思路。

　　

塑料污染已成为全球环境挑战，聚碳酸酯(PC)因其优异的机械强度和热稳定性被广泛应用于汽车、电子等领域，但其回收过程中性能退化严重制约循环利用。传统熔融沉积成型(FDM)技术存在效率低、材料适应性差等问题，亟需开发新型可持续制造工艺。

来自re:3D Inc.等机构的研究团队在《Materials Today Sustainability》发表研究，采用升级版Gigabot X熔融颗粒制造(FGF)打印机，通过10次循环回收实验系统评估再生聚碳酸酯(rPC)的性能演变规律。研究结合差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)等技术，揭示了多循环回收对材料热力学性能、分子结构和机械性能的影响机制。

【关键技术】
研究采用Gigabot X FGF 3D打印机（配备15.876mm螺杆挤出系统）处理3-5mm粒径的rPC颗粒；通过DSC测定玻璃化转变温度(T_g)，TGA分析起始降解温度(T_onset)；依据ASTM标准进行拉伸、弯曲和夏比冲击测试；利用SEM观察断面形貌演变。

【研究结果】
3.1 热稳定性分析
DSC显示T_g从初始110.2°C先升至112.8°C（第1次循环），后持续降至96.4°C（第10次循环），TGA表明T_onset从376.9°C降至369.3°C，证实热循环导致分子链断裂。

3.2 FTIR谱图特征
1470cm^-1峰强度先增后降，反映初期分子链重排改善结构，后续循环中羰基(C=O)和芳环(C=C)特征峰减弱，证实氧化降解加剧。

3.4 机械性能演变
• 拉伸强度呈"峰形"变化：第3次循环达峰值68.59MPa（较初始提升25%），第10次循环骤降至27.31MPa
• 弯曲强度第3次循环达76.4MPa，超过注塑PC标准值(72.3MPa)
• 冲击强度从20.9kJ/m²持续降至2.4kJ/m²，显示韧性显著劣化

3.5 断口形貌分析
SEM显示前5次循环呈韧性断裂特征，10次循环后转为光滑脆性断面，与力学性能退化规律一致。

3.6 应用验证
FGF打印空心花瓶耗时仅17分钟，较传统FFF技术节省84%时间，且第11次循环仍可成功打印，证实工艺可行性。

【结论与意义】
该研究首次系统阐明rPC在FGF工艺中的性能演变规律：前3次循环因分子链重排产生性能增强效应，后续循环因链断裂和氧化导致性能衰退。尽管10次循环后冲击强度下降88%，但FGF技术展现显著效率优势（节省64-84%时间），为塑料废弃物高值化利用提供新路径。研究建议通过纤维增强等手段改善循环稳定性，推动可持续增材制造产业发展。