В последние десятилетия проблема пластиковых отходов превратилась в одну из самых острых экологических задач глобального масштаба. Ежегодно в мире производятся сотни миллионов тонн пластика, большая часть которого в конечном итоге оказывается на свалках или загрязняет природные экосистемы, особенно водные объекты. Среди наиболее распространенных пластмасс, используемых в упаковочной индустрии, выделяются полиэтилентерефталат (PET) и высокоплотный полиэтилен (HDPE). Однако переработка и совместное использование этих материалов традиционными методами сталкивается с рядом технологических трудностей, в основном обусловленных их негативной совместимостью, различиями в структуре и термической устойчивости. В связи с этим появилась необходимость разработки новых подходов, позволяющих эффективно перерабатывать смешанные потоки пластиковых отходов и создавать из них высококачественные продукции с минимальными затратами и экологическим воздействием.
Одним из перспективных решений является использование совместимых композитов, или компатибилизаторов, для улучшения взаимодействия между r-PET и r-HDPE при переработке и дальнейшем использовании в качестве сырья для аддитивных технологий, в частности для 3D-печати методом экструзии гранул. Этот подход позволяет обходить этапы детального сортирования пластиковых отходов, что существенно снижает затраты и увеличивает эффективность переработки. Совместимые полимерные смеси PET и HDPE отличаются высокой степенью термопластичности, что делает их удобными для переработки расплавом через экструдер. Однако из-за их химической несовместимости без специальных добавок формируется неоднородная структура с плохой адгезией между фазами, вызывающая снижение механических свойств и ухудшение технологичности в процессе печати. Добавление компатибилизаторов позволяет преодолеть эти недостатки, создавая мостики взаимодействия между полимерными цепями разного типа и уменьшая межфазное натяжение.
В результате смесь становится более однородной, с улучшенным распределением фаз и повышенной стабильностью при нагреве и деформации. Одной из ключевых технологий, продемонстрировавших большое потенциал в обработке подобных композитов, является метод экструзии гранул с последующей 3D-печатью. Отказ от необходимости изготовления классической нити-филамента и прямое использование переработанных гранул сокращает тепловое воздействие на материал, уменьшает этапы производства и снижает вероятность термического разрушения и деградации полимеров. При этом стабильный поток материала обеспечивается благодаря оптимальной вязкости и эластичности композиций, что достигается правильным подбором концентрации и типа компатибилизатора. Исследования показали, что оптимальное содержание компатибилизатора в диапазоне около 5 частей на сто полимера (php) способствует достижению максимальной эффективности взаимодействия между r-PET и r-HDPE.
При этом отмечается значительное повышение комплексной вязкости и модуля упругости, что обеспечивает более плавный и стабильный процесс экструзии гранул, а также улучшенное сцепление слоев при 3D-печати. Повышение температуры кристаллизации в смеси подтверждает улучшение структурной упорядоченности и уменьшение подвижности цепей в аморфной фазе, что благоприятно сказывается на геометрической точности и механической прочности готовых изделий. Механические испытания изготовленных образцов продемонстрировали существенное улучшение характеристик прочности и пластичности по мере увеличения дозировки компатибилизатора до оптимального значения. Так, достигается прочность на разрыв порядка 35 МПа при увеличении относительного удлинения до 17%, что значительно превосходит показатели некомпатоваванных смесей. Такая комбинация свойств открывает новые возможности для создания функциональных и долговечных изделий из переработанного пластика с использованием технологий аддитивного производства.
Морфологический анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии подтвердил существенное уменьшение размеров и количество дефектных зон между фазами полиэтилентерефталата и полиэтилена. Благодаря этому создается более однородная и стабильная структура, что снижает риск возникновения микротрещин и повышает общую долговечность изделий. При превышении оптимальной дозировки компатибилизатора наблюдается обратный эффект, связанный с фазовой пластизацией и формированием агрегаций, что ухудшает механические свойства и вязкостные характеристики материала. Важным аспектом в реализации данной технологии является точный контроль параметров процесса печати. Оптимизация температуры экструдера, скоростей подачи и потока материала, а также правильная калибровка коэффициентов экструдирования играют ключевую роль для предотвращения засоров, обеспечения равномерного наплавления и минимизации внутреннего напряжения в изделиях.
Использование специализированного программного обеспечения с возможностью адаптации управления экструдера под особенности переработанного композита позволяет существенно повысить качество и надежность печати. Экологический и экономический смысл применения совместимых композитов r-PET/r-HDPE для 3D-печати состоит в возможности переработки смешанных отходов без дорогостоящего и трудоемкого процесса сортировки. Это способствует развитию циркулярной экономики в полимерной промышленности, снижает нагрузку на свалки и уменьшает экологическую нагрузку на природные экосистемы. Кроме того, возможность быстрого и гибкого производства кастомизированных изделий из переработанных материалов открывает новые перспективы для малого и среднего бизнеса, ориентированного на устойчивое производство и инновации. Потенциал дальнейших исследований лежит в создании новых типов компатибилизаторов с улучшенными взаимодействиями на молекулярном уровне, а также в интеграции волоконных и наномодификаторов для дальнейшего повышения механических характеристик и функциональности композитов.
Разработка многофункциональных добавок, способных не только улучшать совместимость, но и придавать материалам антимикробные свойства, огнестойкость или повышенную устойчивость к внешним воздействиям, представляет большой интерес в современных тенденциях развития материаловедения. Таким образом, применение совместимых смесей переработанных полиэтилентерефталата и полиэтилена высокой плотности в технологии 3D-печати методом экструзии гранул не только решает насущные проблемы утилизации пластиковых отходов, но и открывает новые горизонты для создания экономически выгодных и экологически безопасных продуктов. Перспективы дальнейшего развития данной технологии связаны с расширением ассортимента применяемых отходов, оптимизацией технологических параметров, а также внедрением цифровых инструментов для контроля качества и повышения эффективности производства в сфере устойчивого аддитивного производства.
