介绍
如今，塑料几乎存在于任何物体或地方，从包装、化妆品和服装到鱼、瓶装水，甚至在人体中。联合国气候变化评估（COP26）强调塑料是一个气候问题。通过生命周期分析，估计 2015 年塑料的产量为 1.7 Gt CO 2当量 (GtCO 2 e)，到 2050 年，这一数字预计将上升至约 6.5 GtCO2e（占全球总量的 15%）。碳预算）。1
此外，2015年塑料总产量达到3.8亿吨，如果这些材料不需要数百年才能分解，这个数字就不会那么令人担忧。在这个漫长的退化过程中，它们与海洋和森林中的其他物种共存，极大地阻碍了它们的生命周期。如果我们再深入一点，这些废物长期暴露在紫外线照射下，会分解成小于5毫米的小碎片，这些碎片被称为微塑料，目前漂浮在海洋中的此类颗粒超过51万亿个。海洋，使海洋动物更容易消耗它们，从而更容易获得人类消耗的食物和产品。2 , 3
绝大多数塑料是由化石碳氢化合物和石油衍生物制成的，因此它们不是可回收材料。需要在全球范围内寻找解决这一问题的替代方案。提出的解决方案之一是大幅减少塑料消耗或改善回收系统，因为在已成为废物的 60 亿吨塑料中，只有 9% 得到了回收。4 – 6
另一种选择是使用 3D 打印和可生物降解材料。3D 打印是减少塑料使用的一个很好的解决方案，原因如下：首先，可以打印在世界偏远地区制作的设计，而无需塑料或包装纸板的费用，因为不需要运输塑料或包装纸板。物理对象，只有它的设计；其次，这类技术除了没有几何限制外，有时产生的材料浪费比例还不到2%；另一个优点是减少劳动力，因为通过生成单件物体，它消除了组装和最终精加工部件。7
可生物降解材料是目前在对抗塑料的斗争中实施的另一种替代材料。这些类型的塑料由植物或生物材料制成，如玉米、土豆、香蕉、木薯，甚至鳄梨，这从根本上消除了不可再生材料的使用，并且作为有机废物，防止由这些材料制成的包装最终被丢弃。在垃圾填埋场。8
尽管使用可生物降解塑料似乎是一个不错的选择，但也存在某些缺点。这些材料需要满足一定的要求才能成为环境问题的最终解决方案，这表明当今社会还没有准备好支持它们。制造可生物降解塑料的主要问题之一正是它们是由食品制成的。为了种植这些产品，需要开发土地，并且许多用于消费的食物需要集中用于制造这些塑料。回收时会出现另一个主要问题，因为这些塑料不会自然降解。需要大型堆肥厂，这些厂消除了主要缺点。9首先，这些工厂并没有在社会上大规模实施，因此这些材料很难以适当的方式回收利用，通过堆肥和最大限度地减少碳足迹来结束其使用寿命；其次，必须长时间达到50°C以上的温度，这需要能源并产生排放到环境中；最后，可生物降解材料的回收成为一项艰巨的任务，因为它们必须不与其他材料混合。10 , 11
此外，随着这些技术的发展，近年来对 3D 打印和可生物降解材料的研究也显着增长。12 , 13 表1显示了其他作者对主要聚乳酸(PLA)、PLA衍生复合材料或其他材料(例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))的降解的一些研究的汇编。

在不同作者的所有结果中，可以得出结论，可生物降解材料（例如 PLA）在不同的降解条件下降解。这些结果以不同的方式表达：视觉上，分子量的降低，或几何和机械性能的降低。这意味着可生物降解材料在特定条件下的暴露会导致材料或产品的降解，可以通过不同的方式进行分析。
然而，作者拒绝将回收作为摆脱这场危机的一种方式，并警告一次性产品的有害替代品，例如生物基或可生物降解塑料，这些塑料目前对传统塑料构成类似的化学威胁。因此，应该探索塑料的再利用。
因此，这项工作的目的是将FDM技术和可生物降解材料的使用结合起来，探索最大限度地减少石油基材料的使用并更加接近环境可持续性的可能性。为此，使用了两种材料：来自天然来源的 PLA 和 enviro ABS（一种从石油中获得但经过改性可生物降解的材料）。选择这些材料是因为 PLA 和 ABS 是 3D 打印中使用最广泛的聚合物。替代 ABS enviro 是一种相对较新的材料，以前从未被研究过。此外，还提出了两种类型的退化：阳光照射模拟和海水模拟。分析了这些材料的响应与其拉伸机械性能的关系。
材料和方法
研究了两种环保材料：天然聚乳酸 (PLA) 和可持续丙烯腈丁二烯苯乙烯 (Enviro ABS)（一种石油衍生物）。这种改性 ABS 上附着有一种生物添加剂，可以吸引细菌，当大量存在时，这些细菌能够对材料进行生物降解，就像垃圾填埋场的情况一样，在这些条件出现之前，材料不会降解。25
单个拉伸样本是根据 ISO 527 的建议设计的。26样本是在熔融沉积建模测试台上制造的。主要制造参数见表2。由于平台上没有使用粘合剂，打印速度较低。这些条件也是根据以前的研究选择的。
表 2 . 制造参数。

单层样品的尺寸评估是评估材料机械性能的基础。这些尺寸偏差使用光学测量 3D 技术进行表征，具体使用 Tesa Visio 300。此外，在降解之前和进行每次机械测试之前对样品进行称重。
提出了两种类型的降解：阳光和盐水。一方面，为了模拟海水的降解，估算了地中海的盐度。一方面，为了模拟地中海水的作用造成的降解，我们寻找海水平均每升水中含盐量的大约克数，在本例中，所选数据在 36 到 39 之间g/l水，所以决定溶解38g/l。由于水的密度高于样本的密度，样本必须固定在鱼缸的底部，以防止它们漂浮到水面。另一方面，使用 1000 W Maurer 光卤素灯来模拟由于暴露在阳光下而导致的退化。

结果
图 1显示了每次测试中最大应力的演变。可以看出，在海水降解的情况下，Enviro ABS 表现出几乎恒定的趋势，而 PLA 表现出明显的下降趋势。这是因为 PLA 是一种比 Enviro ABS 吸湿性更强的材料，因此更容易受到湿度的影响。

图1。测试的最大拉伸强度。
在光降解的情况下，在两种情况（Enviro ABS 和 PLA）中，测试开始时最大应力都会上升，这可能是由于温度的影响，样品中的湿度下降所致和光。据观察，PLA 的这种增加更大，因为如上所述，PLA 是一种比 Enviro ABS 对湿度更敏感的材料。
值得一提的是，在第 5 周，灯泡因阳光退化而熔化。在 PLA 和 Enviro ABS 中都可以清楚地观察到这种挫折，因为它显示出第 6 周峰值应力的明显下降，这可能是由于样品未暴露在温度和光线下期间吸湿所致。当测试重新启动时，随着样本湿度再次下降，再次观察到张力增加（第 8 周）。
还分析了 8 周研究期间弹性系数 (ε) 的演变（图 2）。就 Enviro ABS 而言，光降解和海水降解均显示出明显的恒定趋势，其中最终值与初始值相差不大。然而，就PLA而言，光和水的降解均呈现出在最初几周内观察到值下降并达到最小值然后再次上升，甚至超过初始值的趋势。这表明材料在最初几周内变得更具塑性（区域减少），然后再次变脆（区域增加）。

图2 . 测试的弹性系数。
在PLA暴露在阳光下的情况下，第八周出现急剧下降。这可能是由于项目最后一周出现的问题，用于光衰测试的灯泡爆炸，烧毁了所有样品。
对该图进行评论的另一个事实是，Enviro ABS 的刚性不如 PLA。这些数据并不完全真实，因为这些材料的应力图没有直的弹性区域来测量其斜率，从而正确地找到杨氏模量，但它们是没有屈服点的弹塑性材料，因为弹性没有变化至塑料区。因此，获得的弹性系数和伸长率结果不能视为具有明确弹性和塑性区域的其他类型材料。
图 3显示了测试期间伸长率 (Δ) 的变化（以百分比表示）。在这种情况下，观察到与前一种情况完全相反的响应。PLA 的两个案例几乎具有恒定的趋势，Enviro ABS 的两个案例在前几周内值首先下降，达到最小值，然后再次上升。尽管如上所述，这些数据不能像其他材料一样进行研究，因为它们具有单个弹塑性区域。因此，应延长暴露于降解的时间，以获得更有力的陈述。然而，我们已经可以说，与 ABS 环境相比，PLA 似乎更容易受到这种降解的影响。

图3 . 测试的伸长率。
此外，还显示了每种情况在降解期开始和结束时的应力-应变图（图 4）。对于暴露于盐水降解的 ABS enviro，弹性区或屈服点后没有明显差异。因此，可以说样品没有明显的降解。对于暴露于日光降解的 Enviro ABS 的情况，可以清楚地观察到样品在第 0 周断裂时的位移几乎是第 8 周测试中获得的位移的两倍。这种减少与塑性区或蠕变区的减少同时发生，导致材料较早断裂，几乎在第 8 周找到屈服点的弹性时就发现了这种断裂。

图4 . (a) ABS 和 (b) PLA 在阳光和海水暴露 0 周和 8 周时的应力应变图。
在 PLA 被盐水降解的情况下，图表中的趋势存在很大差异。PLA 与 ABS 一样具有弹塑性曲线，并且没有直线区域。第 8 周的位移稍小，最大的差异是从第 0 周到第 8 周最大力的下降。这似乎表明暴露于这种环境的 PLA 强烈影响其最终机械性能，如上所示。最后，在PLA暴露于阳光的情况下，也没有观察到明显的差异，只能补充说，在第8周，断裂前的位移低于第一周。
通过显微镜对试件的断口进行分析（图5），发现纵向视图没有显示出断口的明显变化，以确保其是由于降解造成的。由于两种材料的塑性性质，总是会发生脆性断裂。在 ABS 暴露于盐水降解之前和之后观察到明显的差异，因为第 8 周的图像显示变形区域的脆性稍低，显示断裂前各层的变形很小，这与拉伸图一致。

图5 . 样品横截面：(a) 水 ABS – 0、(b) 水 ABS – 8、(c) 水 PLA – 0 和 (d) 水 PLA – 8，暴露数周。
还显示了暴露于日光降解的 PLA 样品的横截面。首先，这些图像显示了 Enviro ABS 和 PLA 之间的明显差异，因为此时无法清楚地区分层和层的方向。至于第0周和第8周之间的差异，在后者中可以观察到一些没有材料的区域，好像它们是由变形引起的凹坑。拉姆·克里希纳等人。图 14显示了 PLA 在 30 天的时间内如何抵抗水分降解，以及点蚀的出现，这也可以在该图像中看到。最后，对于暴露在阳光下降解的两种材料，样品断裂的横截面之间没有明显差异。

结论
在这项工作中，研究了两种降解条件（太阳能和盐水）对两种可生物降解材料（PLA 和 ABS enviro）的影响。后者以前从未被研究过，是传统 ABS 的潜在替代聚合物。

根据所得结果，可以得出以下结论：
- 在 8 周的降解期内，Enviro ABS 的机械响应优于 PLA。它在拉伸测试中显示出更好的结果，主要是在最大应力研究中。
- Enviro ABS 的降解在 8 周内并不明显，并且在两种研究介质（光和水）中几乎以相同的方式降解。
- 对于 PLA，根据研究介质的不同，材料的降解存在差异。在光照情况下，由于材料中水分的消除，最大应力略有增加；但被水降解的样品确实表现出机械性能下降和内部结构变化的趋势。
这两种材料都表现出良好的降解机械响应，被认为是传统 ABS 的良好替代品，其中 Enviro ABS 是更好的选择。尽管值得一提的是，该解决方案并不是确定的，因为除了消除石油基材料的使用外，还必须鼓励生物塑料的回收和堆肥。这项使命属于政府（制定有利于这些想法的法律并建造堆肥工厂）和社会，因为如果一般使用塑料和一次性材料的心态没有改变，任何可生物降解的解决方案都不会100％有效。
简而言之，要实现这个田园诗般的未来，必须普遍改变心态，以及对塑料及其正确回收进行正确的教育。事实证明，降解为环保材料并不是那么自动的，并且这些材料可以在许多应用中实现。