废弃塑料ABS的回收、改性及在3D打印中的应用

崔若岩

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）。