تولید مواد افزودنی پایدار: پاسخ مکانیکی اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) در فرایندهای بازیافت چندگانه
پایداری در تولید مواد افزودنی اساسآ به نرخ بازیافت پلیمرها و کامپوزیت های بکار رفته در ساخت فیلامنت ذوبی (FFF) اشاره دارد که امروزه حجم و اهمیت آنها رو به افزایش است. بازیافت چنین موادی یک فرایند ترمودینامیکی است که بطور کلی رفتار مکانیکی آنها را تغییر می دهد. این مطالعه بر روی پلیمر اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) متمرکز است که دومین مادۀ مورد استفاده در چاپ سه بعدی FFF محسوب می شود. به منظور بررسی تأثیر مراحل بازیافت بر پاسخ مکانیکی پلیمر ABS از شبیه سازی تجربی فرایند بازیافت استفاده شده است که عملیات ترمودینامیکی را از سایر پارامترها (مانند آلودگی، پیری و غیره) جدا می کند. همچنین، برای تعیین کمّی تأثیر فرایندهای بازیافت مکرر بر پاسخ دینامیکی پلیمر ABS نیز آزمایشات مکانیکی گسترده ای بر روی نمونه های چاپ شدۀ FFF انجام شد. بنابراین آزمون های استاندارد کششی، فشار، خمش، ضربه و ریزسختی در هر مرحلۀ بازیافت انجام شد. یافته های حاصل شده اثبات می کنند که پاسخ مکانیکی پلیمر ABS بازیافتی بطور کلی نسبت به تکرار بازیافت، برای تعداد مشخصی از تکرارها بهبود می یابد. رفتار مکانیکی بهینه بین تکرار سوم و پنجم حاصل می شود که نشان دهندۀ تأثیر مثبت و قابل توجه بازیافت پلیمر ABS، علاوه بر رفتار محیطی است.
امروزه مواد پلیمری به دلیل خواص منحصر به فردشان همچون دمای عملیاتی مختلف، عایق حرارتی/ الکتریکی بالا، مقاومت سایشی و خواص مکانیکی خوب (تحمل وزن بالا، سفتی، چقرمگی و شکل پذیری) نقش مهمی در صنعت ایفا می کنند. با این حال، یکی از مشکلات اصلی در استفاده از آنها اثرات زیست محیطی پسماندهای پلاستیکی انباشته شده در محیط طبیعی و دفن زباله ها است که تجزیه آنها به دلیل طول عمر آنها میتواند تا چندین دهه (یا هزاران سال) طول بکشد. تولید پلاستیک در سال 2018 در سراسر جهان 360 میلیون تن بود. در بسیاری مقالات استراتژی های بازیافت و استفاده مجدد از زباله های پلاستیکی و همچنین مزایای اقتصادی ناشی از این استراتژی ها مورد مطالعه قرار گرفته اند. بازیافت پلاستیک یک جنبه اساسی از استراتژی اقتصاد دورانی در سراسر جهان است. با این حال در سال های اخیر، این استراتژی در جامعه علمی و استارت آپ های کارآفرینی به منظور ارائه راهکارهایی برای مقابله با معضل زباله های پلاستیکی من جمله استفاده از بازیافت پلاستیک در فرایند چاپ سه بعدی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. همچنین ثابت شد که بازیافت انواع ضایعات پلیمری از بخش های مختلف مانند الکترونیک، زمین های بایر، صنایع و مدارس میتواند بهره وری اقتصادی به دنبال داشته باشد. پژوهش های متعددی بر قابلیت بازیافت ضایعات پلیمری با اکسترود کردن آنها و سپس قالب گیری تزریقی آنها به قطعات یا نمونه های جدید برای بررسی خواص مکانیکی، فیزیکی و حرارتی آنها متمرکز هستند. استراتژی جدید دیگر، مخلوط کردن ضایعات مواد زیست تخریب پذیر طبیعی همچون الیاف (فیبر) موز یا پوسته صدف با ضایعات پلیمری بازیافتی است که می تواند منجر به کاهش چشمگیر زباله های پلاستیکی شود. علاوه براین، از بازیافت در فناوری تولید مواد افزودنی مختلف (AM) برای پلیمرها و مواد فلزی استفاده می شود. در فناوری سینترینگ لیزری AM یک علاقۀ تحقیقاتی درمورد قابلیت بازیافت پودرهای سینترینگ تولید شده از فرایند سینترینگ اولیه وجود دارد. تحقیقات ثابت کرد که پودرهای پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پودرهای پلی آمید (PA) و پودرهای اکسید آلومینیوم یا حتی پودرهای فولاد ضدزنگ از قابلیت بازیافت و مقیاس پذیری بسیار خوبی برخوردار هستند.
ازطرفی، تحقیقات بر قابلیت بازیافت ضایعات پلیمری به فیلامنت های آماده برای چاپ در یک چاپگر سه بعدی خانگی و بویژه بر قابلیت بازیافت و ترکیب ضایعات پلیمری متداول مانند پلی اتیلن چگالی کم و بالا (LDPE/HDPE) موجود در کیسه های خرید و بطری هایی با الیاف طبیعی قابل بازیافت مانند الیاف کنف متمرکز هستند. در برخی تحقیقات برای ساخت فیلامنت ذوبی (FFF) به قابلیت بازیافت خوب قطعات چاپی، الیاف و تولید مواد جدید حاوی مواد بکر و بازیافتی در ترکیباتی مانند LDPE، HDPE، PP، نایلون یا حتی تایرهای بازیافتی اشاره شده است. باتوجه به بازیافت الیاف پلی لاکتیک اسید (PLA)، تحقیقات بیشتر بر دستیابی به دانش خواص مکانیکی قطعات چاپ شده با چاپگر سه بعدی متمرکز شده نشان دادند که خواص مکانیکی این قطعات با استفاده از مواد بازیافتی در مقایسه با قطعات ساخته شده از مواد اولیه اندکی کاهش می یابد. علاوه براین همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، مطالعات باتوجه به تحقیقات بازیافت فیلامنت ABS که در بازار بیشتر مورد توجه است نشان دادند که میتوان آن را به راحتی چند بار ازطریق سیستم های اکستروژن بازیافت کرده و با موفقیت در چاپگرهای سه بعدی مجددآ استفاده کرد.
شکل 1:
در مطالعات خاصی به بررسی کاهش خواص مکانیکی ABS بازیافتی پرداخته شده است، در حالی که تعداد کمتری از محققان افزایش خواص مکانیکی را پس از تکرار دوم یا سوم بازیافت گزارش می کنند. حجم بازار جهانی فیلامنت برای چاپ سه بعدی در سال 2019، 1.8 میلیارد دلار بود که با نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) 27 درصد رشد کرد. فیلامنت ABS دومین ماده پرطرفدار در بازار فیلامنت است که حدود 29 درصد از بازار را به خود اختصاص داده است و سهم بازار آن حدود 0.5 میلیارد دلار امریکا است. بنابراین از لحاظ اقتصادی، ارزیابی قابلیت بازیافت مواد ABS و بررسی بیشتر خواص مکانیکی و فیزیکی مواد بازیافتی به منظور بررسی قابلیت استفاده از آنها در فناوری FFF AM ضروری است. علاوه براین، شکل بالا یک مدل اقتصاد دورانی در چاپ سه بعدی را ارائه می دهد که در آن چهار پارامتر اصلیِ تغییرات شیمیایی و ساختاری، تغییرات خواص مکانیکی، اجزای ترکیب، ارزیابی مالی و زیست محیطی فرایند چاپ را تحت تأثیر قرار می دهند. همه این پارامترها برای صرفه جویی در فرایند بازیافت و رفتار مواد پس از بازیافت بسیار مهم هستند. این مقاله بر تغییرات خواص مکانیکی ناشی از بازیافت با تفکیک عملیات ترمودینامیکی از سایر پارامترها و مطالعه تجربی پارامترهای مکانیکی مختلف در مواد پلیمری ABS بازیافتی تمرکز دارد. همچنین یک شبیه ساز تجربی ایجاد شده است که نه تنها به قابلیت بازیافت داخلی فیلامنت ABS دسترسی دارد، بلکه خواص مکانیکی فیلامنت ABS بازیافتی را در بسیاری از مراحل بازیافت مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهد تا تأثیر هر عملیات ترمودینامیکی را بر رفتار مکانیکی تعیین کند.
دراینجا آزمون های استاندارد کششی، تراکم، خمش، ضربه و ریزسختی در هر تکرار بازیافت فیلامنت ABS برای شش دوره بازیافت انجام شد تا تأثیر عملیات ترمودینامیکی بر روی پلیمر ABS در حین فرایند بازیافت ارزیابی شود. یافته های بالا ثابت می کند که پاسخ مکانیکی این پلیمر بازیافتی بطور کلی نسبت به تکرارهای بازیافت، در تعداد مشخصی از تکرارها بهبود می یابد. بین تکرار سوم و پنجم یک رفتار مکانیکی مشاهده می شود که نشان دهندۀ تأثیر مثبت و قابل توجه بازیافت پلیمر ABS بر بخش های زیست محیطی و اقتصادی است. همچنین مشخص شد که هر مرحلۀ بازیافت دارای خواص مکانیکی ABS است در در نتیجه، بطور متوسط 30 درصد تمام خواص مکانیکی مورد مطالعه در اینجا را افزایش می دهد؛ در حالی که به نظر می رسد پلیمر پس از تکرار پنجم به سرعت تجزیه می شود. براساس این مطالعه، مطالعۀ ساختاری و مورفولوژی علاوه بر تغییر خواص حرارتی فیلامنت ABSازطریق فرایند بازیافت در مطالعات آتی گنجانده شده اند.
