3D打印生物復(fù)合材料有助于減少海洋塑料污染

導讀：海洋中塑料垃圾的處理一直以來都是環(huán)境保護領(lǐng)域的重要研究。幾十年來，海洋環(huán)境一直受到化石聚合物（絕大多數(shù)塑料產(chǎn)品）降解的影響，這些聚合物通過洋流流動積聚在海灘、海洋甚至北極海冰上。為了扭轉(zhuǎn)局面，生物基聚合物復(fù)合材料應(yīng)運而生。這種化石資源的合適替代品可以滿足對海洋復(fù)合材料不斷增長的需求。



SeaBioComp
研究這些復(fù)合材料的是一個名為SeaBioComp的歐洲項目。為了減少塑料對生態(tài)環(huán)境的影響，制造能夠承受長期惡劣海洋環(huán)境的可再生材料成為了一項挑戰(zhàn)，SeaBioComp 開發(fā)了一種亞麻基熱塑性生物復(fù)合材料。該項目已經(jīng)3D打印了幾個初始原型產(chǎn)品，包括擋泥板和其他結(jié)構(gòu)。研究表明，由生物聚合物和生物復(fù)合材料等天然原料制成的聚合物和復(fù)合材料被視為化石聚合物的潛在替代品，但對環(huán)境的影響較小，例如微塑料的形成。


△用于海事應(yīng)用的一系列 SeaBioComp 演示產(chǎn)品。圖片由 SeaBioComp 提供。

SeaBioComp 在歐盟的Interreg 2 Seas計劃的共同資助下，自2019年以來一直積極尋求為海洋環(huán)境創(chuàng)造一種耐用的生物基復(fù)合材料，預(yù)算為410萬歐元（420 萬美元）。超過一半的資金來自歐洲區(qū)域發(fā)展基金（ERDF），該基金已經(jīng)資助了該地區(qū)其他與3D打印相關(guān)的項目，包括葡萄牙首個用于高性能和大尺寸金屬 3D 打印的機器人。在比利時紡織研究機構(gòu)Centexbel的領(lǐng)導下，SeaBioComp 還在進行分析工作，以評估其材料的長期耐久性，以減少對海洋環(huán)境的生態(tài)影響。

生物復(fù)合材料
首先，該項目創(chuàng)造了一種自增強聚丙交酯（PLA）復(fù)合材料，該復(fù)合材料已制成適合壓縮成型的各種無紡布和機織布。其次，該團隊開發(fā)了一種新型亞麻增強 PLA 或丙烯酸 (PMMA) 增強復(fù)合材料，可通過柔性模具 (RIFT) 制造工藝下的樹脂灌注、壓縮成型和增材制造使用。

在對 SeaBioComp 開發(fā)的各種生物復(fù)合材料的機械性能進行廣泛測試后，研究人員和專家得出結(jié)論，這些材料接近并且在某些情況下比傳統(tǒng)的非生物基復(fù)合材料性能更好，例如片狀模塑復(fù)合材料 (SMC)目前能夠在海洋環(huán)境中使用。新型生物基產(chǎn)品已被證明使用與傳統(tǒng)產(chǎn)品相同的壓縮成型條件，同時工藝周期時間可以更短。

此外，該項目還以創(chuàng)造有助于減少對海洋環(huán)境影響的產(chǎn)品為目標，早期研究確定亞麻是最適合用作生物復(fù)合材料增強材料的天然植物纖維。亞麻在生長過程中吸收大量二氧化碳，并通過植物修復(fù)清潔土壤。這種使用植物提取，去除污染物的方法可以降低其在土壤中的生物利用度。

為了應(yīng)對全球海洋污染源，SeaBioComp 的團隊將熱塑性聚合物、天然纖維和 3D 打印技術(shù)結(jié)合起來。除了擋泥板和其他結(jié)構(gòu)外，SeaBioComp 還使用大規(guī)模增材制造技術(shù)來制造其他半工業(yè)產(chǎn)品，包括船泵和頂蓋。

3D打印生物復(fù)合材料
2020年，SeaBioComp 透露，它依靠荷蘭的工業(yè)制造商Poly Products的 FDM 打印機對生物符合材料進行了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印。


△SeaBioComp 使用 CEAD FDM 打印機演示了生物基熱塑性復(fù)合材料在各種海事應(yīng)用中的使用。圖片由 CEAD 提供。

除了新材料的生態(tài)效益外，SeaBioComp 還認為 3D 打印是一種生態(tài)高效的制造工藝。與傳統(tǒng)產(chǎn)品制造相比：

●生物聚合物的3D打印具有很大的生態(tài)效率，因為它不需要模具，幾乎沒有生產(chǎn)浪費。

●它與項目開發(fā)的可持續(xù)材料兼容，并且 3D 打印產(chǎn)品在其使用壽命結(jié)束后可以回收利用。