新型混炼螺杆对rPP/rEPS材料混合分散性及拉伸性能的影响

Effect of New Mixing Screw on Dispersion and Tensile Properties of rPP/rEPS Materials

摘要

发泡聚苯乙烯（EPS）与聚丙烯（PP）因广泛用于一次性餐具而成为主要的塑料废弃物，其回收处理面临难以分离与再生制品力学性能显著劣化的难题。采用不需要预分离且加热次数少的熔融颗粒制造（FGF）技术回收聚丙烯/回收发泡聚苯乙烯（rPP/rEPS）混合物，设计一种新型混炼螺杆（MS）改善挤出流场的混合分散性。通过流体仿真与打印实验对比分析传统螺杆（CS）与MS的混合性能及其对rPP/rEPS复合材料力学性能的影响。结果表明：混合元件的多重收缩-发散流道结构可有效诱导拉伸流动，显著改善物料混合均匀性，增强建压能力。采用MS挤出的样品力学性能优于CS样品。引入聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH）作为相容剂可进一步改善rPP/rEPS复合材料两相界面相容性，从而提高力学性能。研究结果为高性能混炼元件设计及提升rPP/rEPS复合材料性能提供参考。

Abstract

Expanded polystyrene (EPS) and polypropylene (PP) had become major plastic waste streams due to their extensive use in disposable tableware, and their recycling faced significant challenges in terms of difficult separation and severe deterioration of mechanical properties in reprocessed products. The fused granulate fabrication (FGF) technology, which required no pre-separation and involved fewer heating cycles, was employed to recycle polypropylene/recycle expanded polystyrene (rPP/rEPS) mixtures, and a novel mixing screw (MS) was designed to improve the mixing and dispersion performance of the extrusion flow field. Through fluid simulation and printing experiments, the mixing performance of the conventional screw (CS) and MS was comparatively analyzed, along with their effects on the mechanical properties of rPP/rEPS composites. The results showed that the multiple contraction-divergence flow channel structure of the mixing elements effectively induced extensional flow, significantly improved material mixing homogeneity, and enhanced pressure-building capacity. The samples extruded by MS exhibited superior mechanical properties compared to those extruded by CS. Polypropylene grafted maleic anhydride (PP-g-MAH) was introduced as a compatibilizer to further improve the interfacial compatibility between the two phases of the rPP/rEPS composites, thereby enhancing mechanical properties. The findings provided a reference for the design of high-performance mixing elements and the improvement of rPP/rEPS composites properties.

Graphical abstract

关键词

废弃塑料 / 聚丙烯 / 聚苯乙烯 / 流体仿真 / 力学性能

Key words

Waste plastics / Polypropylene / Polystyrene / Fluid simulation / Mechanical properties

近年来，塑料废物污染问题日益严重^[1-2]。自1950年以来，全球共生产83亿t塑料，其中只有不到10%被再次利用^[3-5]。在废弃塑料中，由发泡聚苯乙烯(EPS)与聚丙烯(PP)制成的餐盒和水杯在餐饮行业大量使用，成为废弃塑料的主要来源^[6]。如何高效回收利用废弃EPS和PP以减轻塑料污染压力并促进可持续发展，已成为研究热点。

EPS和PP塑料废物的回收方式分为化学回收与机械回收。机械回收因其高效益、低成本且能直接回收未分离的废弃塑料而成为最常用的回收方式^[7]。传统的机械回收涉及多次加工与热历史，导致回收产品的力学性能下降，从而限制回收聚丙烯/回收发泡聚苯乙烯(rPP/rEPS)的再利用^[8]。尤其对于聚苯乙烯(PS)，其微观结构中分子链堆砌无序及自由体积分布不均，在加工或使用过程中易引入空隙与杂质等缺陷，形成应力集中点。经历多次回收后，此效应进一步加剧，导致回收材料力学性能差^[9-10]。

为改善rPP/rEPS复合材料的力学性能，研究人员发现熔融颗粒制造(FGF)技术具有减少材料热加工次数、适用材料范围广的显著优势。该技术不仅能够降低加工能耗，抑制材料降解，还能更好地保持材料原有性能^[11]。因此，利用FGF技术回收废弃塑料已成为研究焦点^[12-14]。BANDINELLI等^[15]对比FGF技术与传统熔丝制造(FFF)回收聚酰胺/碳纤维的效果，发现FGF制备样品的密度与拉伸强度均优于FFF样品。ALEXANDRE等^[16]使用FGF打印机分析原生和回收聚乳酸(PLA)原料在造粒和切碎形式下的可打印性，证明FGF能够顺利打印样品，且样品平均拉伸强度高于FFF样品。另一个课题组通过尺寸和微观结构分析，基于打印质量比较了自研FGF打印机与使用PLA基复合材料的注塑工艺的性能，发现在最佳打印参数下，FGF试样的弯曲性能略优于注塑成型试样^[17]。NGUYEN等^[18]探究打印工艺参数对FGF回收聚对苯二甲酸乙二醇酯(rPET)与回收聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(rPETG)材料拉伸强度的影响，确定最优参数组合，使rPET与rPETG的最高拉伸强度分别达到26.4 MPa和44.8 MPa。上述研究充分证实FGF技术提升废弃塑料力学性能的可行性，但其在rPP/rEPS复合材料中的应用潜力尚未被探究，且FGF技术在多种聚合物共混挤出过程中存在混合性能差的问题，会显著劣化回收rPP/rEPS复合材料的拉伸性能，严重制约该材料的回收再利用。

为此，本文设计一款新型混炼螺杆(MS)，以改善FGF挤出过程中混合不均匀的问题，通过流体仿真分析MS的混合性能。将MS应用于自研FGF设备对rEPS与rPP颗粒料进行打印实验，并使用聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)以改善rEPS与rPP之间的界面相容性。通过实验分析MS对打印试件的力学性能与微观形貌的影响。该工作为rPP/rEPS复合材料提供一种改善拉伸性能的方案，扩展FGF的打印材料范围。

1 螺杆设计及仿真分析

通过流体仿真对配备传统螺杆(CS)与MS的单螺杆FGF式3D打印机熔体挤出段进行仿真与分析，对比两种螺杆构型在压力场、速度场、剪切速率场、停留时间以及最大混合指数的差异，同时表征不同螺杆的混合能力。

1.1 MS设计

单螺杆挤出式3D打印机中螺杆由输送段、压缩段和计量段组成，传统单螺杆挤出式3D打印机混合能力较差，因此依据混合分散理论对CS进行改进。将部分计量段区域设计成混合元件部分。图1为螺杆结构。从图1可以看出，螺杆总长(L)为237 mm，螺杆大径(D_e)为15.85 mm，螺杆长径比(L/D_e)为15，进料段的长度和底径分别为4D_e和13.25 mm，压缩段的长度和底径分别为6D_e和14.25 mm，计量段长度和底径分别为5D_e和14.85 mm。压缩比(ε)，即进料与计量区深度之比，可通过式(1)获得^[19]。与CS不同的是，MS在计量段末端设计有长度为20 mm的混合元件，混合元件轮廓由极坐标方程(2)控制。新型MS的设计主要通过双曲收缩-发散通道产生拉伸流。这些通道在中心线上线性地增加熔体速度，在中心处产生一个恒定的拉伸速率，从而产生拉伸流动^[20]。

\epsilon =\frac{h_{\mathrm{F}}(D_{\mathrm{e}}-h_{\mathrm{F}})}{h_{\mathrm{M}}(D_{\mathrm{e}}-h_{\mathrm{M}})}(1)

式(1)中：h_{\mathrm{F}}为进料区深度，mm；h_{\mathrm{M}}为计量区深度，mm。

设定h_F=3.1 mm和h_M=0.8 mm，可得ε设计值为3.29。

1.2 网格划分与边界条件设定

为了简化计算过程，仅关注计量段部分进行计算。利用Workbench Meshing部分对几何模型进行网格划分。由于机筒与螺棱顶部的间隙很小(75 μm)，因此运用网格重叠技术，使螺杆螺棱处部分网格与流体域网格重叠以保证仿真结果的准确性。图2为网格划分。

流体域被划分为单元尺寸为0.3 mm的六面体网格，螺杆被划分为单元尺寸为0.8 mm的六面体网格，最终流体域与螺杆网格总数为430 434个。此外，螺杆转速设为12 r/min，流体入口F_n=F_s=0，流体出口F_n=F_s=0，流体与机筒接触壁面V_n=V_s=0，流体内壁面V_n=F_s=0。材料选择PP，PP材料密度为900 kg/m³，比热容为1 883 J/(kg·K)，导热率为0.2 W/(m·K)。

1.3 仿真基本假定

为了更好地描述机筒内熔体挤出过程，对建立的模型进行以下假设：熔体充满整个流体区域，无空隙；流场等温且稳；熔体是不可压缩的；由于熔体的高黏度，体积力(远小于黏性力，例如重力和惯性力)被排除在外。在上述等温场假设的基础上，根据连续性方程和运动方程进行流场求解。控制方程^[21]如式(3)和式(4)。

连续性方程：\frac{\beta \mathrm{\text{'}}}{\eta (\dot{\gamma })}\nabla p+\nabla ·v=\mathrm{0}(2)

动量方程：-∆p+\nabla ·T+\rho F-\rho \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=\mathrm{0}(3)

式(2)~式(3)中：\dot{\gamma }为剪切速率，s^-1；\rho为密度，kg/m³；\nabla为哈米尔顿算子；v为速度矢量，m/s；T为偏应力张量，Pa；\beta \mathrm{\text{'}}为压缩系数；F为考虑重力和惯性力影响的体积力，N/m³；p为压力，MPa；t为时间，s。

考虑到PP熔体的剪切变稀的特性，选择Bird-Carreau^[22]定律用来描述熔体在机筒中黏度变化，方程如下：

\eta ={\eta }_{\mathrm{\infty }}+({\eta }_{\mathrm{0}}-{\eta }_{\mathrm{\infty }})(\mathrm{1}+{\lambda }^{\mathrm{2}}{\dot{\gamma }}^{\mathrm{2}}{)}^{\frac{n-\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}(4)

式(4)中：{\eta }_{\mathrm{\infty }}为无限剪切黏度，Pa·s；η₀为零剪切黏度，Pa·s；λ为松弛时间，s；n为熔体的非牛顿指数。

2 实验部分

2.1 主要原料

rPP、rEPS，蓝星生物降解材料(东莞)有限公司；PP-g-MAH，接枝质量分数为1.2%，广州市庐山化学有限公司。

2.2 仪器与设备

电子万能测试机，GOTECH-20 KN，高铁检测仪(东莞)有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-6390 LV，日本电子株式会社。图3为自研FGF打印机结构，主要包括挤出单元、驱动单元、控制系统3个子系统。整个结构采用龙门架的形式，采用丝杠机构进行传动，并通过电机控制。

2.3 样品制备

由于rPP与rEPS难以分离，通常将其作为共混物形式进行回收。为探究不同螺杆与增容剂对rPP/rEPS复合材料拉伸性能的影响，本实验制备以下4组打印样品：rPP、rEPS、rPP/rEPS及rPP/rEPS/PP-g-MAH，每组制作5个样品。表1为打印样品的配方。所有样品均使用配备CS与MS的螺杆式3D打印机(CSP与MSP)打印制成。样品依据所用螺杆类型及是否添加PP-g-MAH进行标记区分。打印实验前，原材料rPP、rEPS及PP-g-MAH均在80 ℃下干燥5 h。打印时，原材料严格按设定配比加入进料口，在机筒内经熔融、混合与压缩后挤出成丝，再逐层堆叠成型。图4为拉伸样件几何模型。表2为螺杆式3D打印机参数。

2.4 性能测试与表征

拉伸性能测试：在室温(25 ℃)下使用电子万能测试机按照GB/T 1040.1—2018对拉伸样品进行拉伸测试，以5 mm/min的十字头位移速度测量，夹具之间的初始距离为40 mm。每组数据去掉最大值与最小值，取其余试样的平均值作为测试值。

SEM测试：样品被拉断后，将样品断裂处制成3 mm×3 mm块状样件进行测试，采用扫描电子显微镜对试样断口表面形貌进行表征。由于试样本身导电性较差，表征前对试样喷金处理。

3 结果与讨论

3.1 仿真结果分析

3.1.1 压力场

图5为CS和MS的表面压力云图。从图5可以看出，螺杆在旋转过程中，流道内熔体在螺棱的挤压下不断向出口汇集，随着流道变窄，熔体的压力逐渐增大，MS和CS压力增长趋势均为阶梯式增长，MS与CS最大压力分别达到9.162 MPa与7.247 MPa，MS较CS提升26.4%，因此MS的建压能力更强。这是因为熔体在混合元件部分经历收缩-发散-收缩的过程需要更大的压力才能使熔体顺利挤出。此外，MS建压范围明显大于CS，且MS的压力经历先增大后减小的过程，这一过程能够延长熔体在流场内的停留时间，从而进一步提升螺杆的轴向混合能力，并且能使熔体更稳定地从喷嘴挤出，提高打印出丝的稳定性。

3.1.2 速度场

图6为CS和MS在ZX平面与Z=55 mm处的轴向速度分布云图。从图6可以看出，两种螺杆挤出熔体速度相当，均为10 mm/s左右。熔体在螺槽的速度呈梯度变化，熔体速度沿着机筒内壁面逐渐减小，速度梯度小且方向指向外壁面，体现出明显的剪切效应，这在CS中尤为明显。从图6b可以看出，熔体在MS中经过混合元件时，经历先会聚再发散的过程，速度沿着边界逐渐往中心处增大，速度梯度明显且方向指向中心处，这意味着熔体在此过程中受到拉伸应力的作用，这种现象在截面图A-A能够明显地观察到。综上所述，相较于CS，MS在混合元件处提供更多的拉伸应力，而CS主要为流场内的熔体提供剪切应力。

3.1.3 剪切速率场

图7为CS和MS壁面的剪切速率云图。从图7可以看出，熔体流经喷嘴流道时因流道逐渐狭小，使剪切速率上升。螺棱顶部与料筒壁面间存在狭小间隙，螺杆的旋转时同样会产生高剪切速率区域。由于喷嘴直径小，流经速度大，因此剪切速率最大处为喷嘴壁面。CS与MS螺棱顶部与料筒壁面剪切速率分别为125.20、121.30 s^-1，两者相差不大。

图8为CS和MS壁面的剪切速率分布。从图8可以看出，MS螺槽处的剪切速率比CS更大，这得益于混合元件处收缩通道的存在使熔体流动速度增大，从而增大剪切速率。此外，由于剪切元件尺寸大，其与机筒壁面的间隙小，因此熔体在经过混合元件表面时能够得到充分的剪切作用，使材料得到更好的塑化作用，同时也提高其分散混合性能。

3.1.4 示踪粒子停留时间

停留时间表示物料从进入入口到流出出口所经历的时间，对示踪粒子进行统计分析得到停留时间概率密度函数分布。由于混合元件的存在需要堆积足够的压力才能使熔体挤出，混合的收缩发散通道以及多支路结构使大部分粒子流经道路路径增加，延长粒子的停留时间。图9为示踪粒子的停留时间分布及概率密度分布。从图9a可以看出，CS流场的停留时间整体靠左，大约有80%的粒子在210 s内就流经整个流场；而MS流场中所有粒子停留时间均在200 s以上，约有80%的粒子在流场中的停留时间超过300 s，粒子的停留时间总体较长，在挤出过程中更容易实现充分的混合，从而提升MS流场的轴向混合能力。从图9b可以看出，CS流场的概率密度集中在150~180 s范围内，而MS流场的概率密度集中在210~260 s范围内，且MS流场曲线波宽较CS更大，波峰更矮，粒子在流场内均匀分散，因此其分布混合性能更好。

3.1.5 最大混合指数

为了表征螺杆的分散混合性能，Manas-Zloczower^[23]引入了混合指数(k)作为量化分散混合影响的指标。该指数是量化拉伸和剪切流动的相对贡献的参数。该参数的数学表达式如式(6)所示。

k=\frac{\left|D\right|}{\left|D\right|+W}(5)

式(5)中：D为变形率张量，s^-1；W为涡旋量，s^-1。

k在0~1之间变化。当k=0时，表示熔体的流动是纯旋转流动；当k=0.5时，表示熔体的流动是纯剪切流动；当k=1时，表示熔体的流动是纯拉伸流动。k越接近1，表示拉伸流动在熔体流动中的占比越大，越有利于聚合物的分散混合。图10为CS与MS流场内粒子最大k概率分布。

在k>0.8部分，MS流场最大混合曲线图形更靠右，意味着MS流场内粒子更有可能发生k超过0.8的拉伸流动，能够使无机粒子或团聚体破碎成更小的尺寸，体现出更优异的分散混合能力。这是由于熔体多次经历收缩-发散通道而产生的拉伸流动，证明混合元件理论上的可行性。

3.2 实验结果分析

3.2.1 复合材料拉伸断面微观形貌

图11为rPP与rEPS拉伸断裂面的SEM照片。从图11可以看出，rPP与rEPS样品断面分布均匀，少有孔隙。rEPS断面形貌平整光滑，反映其为脆性断裂，具有几乎垂直于所施加载荷方向的表面。rEPS样品表面显示出比rPP更为平整的表面，这也从侧面说明rEPS拉伸模量大。

图12为CSP与MSP打印的rPP/rEPS拉伸断裂面的SEM照片。从图12a和图12c可以看出，CS-rPP/rEPS拉伸断裂面不平整，有明显的凸起与凹陷形貌，MS-rPP/rEPS断面光滑，无明显缺陷。从图12b和图12d可以看出，MS-rPP/rEPS断面中rEPS分布均匀，经共混挤出后rEPS分散相分布在rPP里，两相形成海岛结构；rPP基体上分布许多rEPS小颗粒，大部分颗粒直径均小于最大特征尺寸(S_max)，而在CS-rPP/rEPS断面中，出现明显的聚集现象，rPP聚集在一起且存在大尺寸未破碎的rPP，只有少量rEPS分布在rPP相中，其颗粒平均直径约为S_avg，对比S_max与S_avg(S_max≈S_avg)说明MS通过混合元件提供收缩-发散结构能够增强挤出系统的分散混合效果，使聚合物分布更加均匀，分散相尺寸更小，而CSP挤出过程中由于缺乏足够的分散混合能力，因此出现部分rPP破碎不充分形成大颗粒与团聚效果。

图13为CSP与MSP打印的rPP/rEPS/PP-g-MAH拉伸断裂面的SEM照片。从图13可以看出，相比于未改性的rPP/rEPS复合材料，其分散相rEPS与基体rPP之间的边界线更为模糊，这反映出PP-g-MAH能够很好地对极性材料rEPS与非极性材料rPP进行反应增容，改善rEPS与rPP材料之间的界面结合力。

3.2.2 拉伸性能

图14为打印样品的拉伸性能。从图14a可以看出，对于rEPS样品来说，配备不同螺杆打印机的样品拉伸性能相差不大，均为7.5 MPa左右；而对于rPP样品来说，配备CSP打印的样品较配备MSP的性能更好，其拉伸强度分别为22.2 MPa与19.6 MPa。rPP/rEPS复合材料样品的拉伸强度得到提升，MSP与CSP打印样品的拉伸强度分别为12.5 MPa与9.6 MPa，相比rEPS提升66.7%和28.0%。经增容剂PP-g-MAH改性后，rPP/rEPS/PP-g-MAH复合材料通过MSP与CSP打印后，样品拉伸强度分别为17.2 MPa和15.02 MPa，与未经改性的复合材料rPP/rEPS相比，其拉伸强度提升37.6%与56.5%。与纯rEPS样品相比，拉伸强度分别提高129.3%与100.0%。

从整体趋势能够看出，rPP与增容剂的加入能够有效提升样件的拉伸强度，其中经MSP打印的rPP/rEPS/PP-g-MAH复合材料拉伸强度最高。除rPP外，MSP打印的样品拉伸强度明显高于CSP，这种差异的产生主要是由于MS的强拉伸流动使rPP部分分子链断裂，导致较低的拉伸性能。而配有混合元件的MS在挤出过程中使熔体受到拉伸应力和剪切应力的组合，确保至少两次通过收缩-发散过程，更好的混合效果增强了多种材料的共混，使聚合物分布得更加均匀，降低应力集中所带来的影响，从而更好地提升rEPS和rPP样品的拉伸强度。此外，PP-g-MAH的加入使样品的误差范围大幅度降低，样品的拉伸强度更加稳定。

从图14b可以看出，CSP与MSP打印rEPS样品的拉伸模量分别为657 MPa和539 MPa，rPP/rEPS复合材料分别为642 MPa和326 MPa，rPP/rEPS/PP-g-MAH复合材料分别为547 MPa和496 MPa，rPP分别为347 MPa与428 MPa。PS的分子结构中大分子链的侧基为苯环，这种结构使其支化程度较高，因此表现为拉伸模量大，刚度大与性脆等性质。从图中不难发现CSP打印的样件在rPP加入后拉伸模量大幅下降，CS较差的混合效果导致分布不均匀而出现应力集中现象，尤其是不相容材料情况下。这种现象在加入PP-g-MAH后得到改善，这也进一步反映出PP-g-MAH在改善材料界面相容性上的贡献。

图15为打印样品的断裂伸长率。从图15可以看出，随着rPP的加入，样品的断裂伸长率得到提升，CSP与MSP打印的rPP/rEPS样品断裂伸长率分别为3.41%与3.16%。加入PP-g-MAH后，CS样品的断裂伸长率提升不大，而MS样品断裂伸长率达到4.96%，较CSP打印的rPP/rEPS/PP-g-MAH样品提升约29.2%。这主要得益于以下两方面：一方面，PP-g-MAH本身是一种弹性体，在此体系中起着提高韧性的作用；另一方面，MS良好的混合性能，使PP-g-MAH能够更好地分布在共混基体rPP/rEPS中，相较于CSP来说更加充分地发挥增强界面相容性的效果，使MS打印的样品拥有更好的韧性。

4 结论

通过对MS与CS流体仿真结果进行分析，MS的双曲收缩流道显著提升建压能力和轴向混合能力，流体压力云图表明，MS最大压力较CS提升26.4%，MS的建压范围更大。MS流场内的粒子停留时间曲线整体右移(相较于CS)，表明粒子停留时间更长，有效促进物料的轴向混合。最大混合指数与速度云图分析表明，该流道结构通过收缩-发散过程诱导熔体产生显著的拉伸流动，在挤出系统内形成以拉伸流动为主导的流场，从而提升分散混合性能。

打印实验发现，对于rPP/rEPS复合材料来说，MSP打印的样品因其优异的分散混合性能使其拉伸强度达到12.5 MPa，CSP打印的样品拉伸强度为9.6 MPa，较rEPS分别提升66.7%与28.0%，且MSP较CSP提升30.2%。但断裂伸长率差异不大。SEM照片表明，PP-g-MAH的加入能够使rPP/rEPS复合材料两相边界变得模糊，反映PP-g-MAH对rEPS和rPP的界面相容性的积极作用。

新型MS与PP-g-MAH协同作用，通过优化熔体流场的混合分散效果并增强材料界面相容性，使rPP/rEPS复合材料的拉伸强度与断裂伸长率分别达到17.2 MPa和4.96%(CSP样品为15.02 MPa和3.84%)。拉伸强度与断裂伸长率相比rEPS样品分别提高129.3%与129.6%，较CSP打印的rPP/rEPS/PP-g-MAH样品分别提高14.5%和29.2%。这一结果突出体现新型MS在提升打印挤出系统混合分散能力方面的关键作用。

参考文献

[1] MONG G R, TAN H Y, CHIN VUI SHENG D D, et al. A review on plastic waste valorisation to advanced materials: Solutions and technologies to curb plastic waste pollution[J]. Journal of Cleaner Production, 2024, 434: 140180.

[2] DUTTA N, MONDAL P, GUPTA A. Optimization of process parameters using response surface methodology for maximum liquid yield during thermal pyrolysis of blend of virgin and waste high-density polyethylene[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2022, 24(3): 1182-1193.

[3] LEE A, LIEW M S. Tertiary recycling of plastics waste: An analysis of feedstock, chemical and biological degradation methods[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2021, 23(1): 32-43.

[4] CHO J, KIM B, KWON T, et al. Electrocatalytic upcycling of plastic waste[J]. Green Chemistry, 2023, 25(21): 8444-8458.

[5] ANUAR SHARUDDIN S D, ABNISA F, WAN DAUD W M A, et al. Energy recovery from pyrolysis of plastic waste: Study on non-recycled plastics (NRP) data as the real measure of plastic waste[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 148: 925-934.

[6] PINSUWAN K, PHOWATTANACHAI N, KAEWNOPARAT P, et al. Chemical recycling of polystyrene resin and its single-used products via nitric acid oxidation: Mechanisms and effects of other plastic contaminations[J]. Polymer, 2025, 316: 127888.

[7] SCHADE A, MELZER M, ZIMMERMANN S, et al. Plastic waste Recycling: A chemical recycling perspective[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2024, 12(33): 12270-12288.

[8] LEE J E, LEE D, LEE J, et al. Current methods for plastic waste recycling: Challenges and opportunities[J]. Chemosphere, 2025, 370: 143978.

[9] DOSTÁL J, KAŠPÁRKOVÁ V, ZATLOUKAL M, et al. Influence of the repeated extrusion on the degradation of polyethylene. Structural changes in low density polyethylene[J]. European Polymer Journal, 2008, 44(8): 2652-2658.

[10] VELÁSQUEZ E, LÓPEZ-DE-DICASTILLO C, TAPIA A, et al. Repetitive mechanical recycling of post-consumer high impact polystyrene from yogurt cups: A pilot-scale performance assessment at different reprocessing cycles[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2024, 202: 107368.

[11] CURMI A, ROCHMAN A. Screw extrusion fused granulate Fabrication: Trends, materials, extruder classification and future development[J]. Polymer, 2025, 330: 128459.

[12] CRUZ SANCHEZ F A, BOUDAOUD H, CAMARGO M, et al. Plastic recycling in additive manufacturing: A systematic literature review and opportunities for the circular economy[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 264: 121602.

[13] JUSTINO NETTO J M, IDOGAVA H T, FREZZATTO SANTOS L E, et al. Screw-assisted 3D printing with granulated materials: A systematic review[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 115(9): 2711-2727.

[14] PRICCI A, DE TULLIO M D, PERCOCO G. Analytical and numerical models of thermoplastics: A review aimed to pellet extrusion-based additive manufacturing[J]. Polymers, 2021, 13(18): 3160.

[15] BANDINELLI F, TITO E, PARISI E, et al. Recycling a carbon fiber-reinforced polyamide through 3D printing: A mechanical and physicochemical analysis[J]. Composites Part B: Engineering, 2025, 294: 112147.

[16] ALEXANDRE A, CRUZ SANCHEZ F A, BOUDAOUD H, et al. Mechanical properties of direct waste printing of polylactic acid with universal pellets extruder: Comparison to fused filament fabrication on open-source desktop three-dimensional printers[J]. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2020, 7(5): 237-247.

[17] SINGAMNENI S, BEHERA M P, TRUONG D, et al. Direct extrusion 3D printing for a softer PLA-based bio-polymer composite in pellet form[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 15: 936-949.

[18] NGUYEN P Q K, PANTA J, FAMAKINWA T, et al. Influences of printing parameters on mechanical properties of recycled PET and PETG using fused granular fabrication technique[J]. Polymer Testing, 2024, 132: 108390.

[19] LIU B L, LIU Z B, LI X L, et al. Experimental investigation of temperature field and formability of compact fused granulation fabrication barrel[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2025, 134: 697-708.

[20] OBER T J, HAWARD S J, PIPE C J, et al. Microfluidic extensional rheometry using a hyperbolic contraction geometry[J]. Rheologica Acta, 2013, 52(6): 529-546.

[21] 魏静, 梁新龙, 陈大兵, 等. 异向啮合型双螺杆捏合机转子型线演化及其混合性能[J]. 机械工程学报, 2014, 50(15): 34-44.

[22] 毕超. Polyflow软件基础及其在双螺杆挤出仿真过程中的应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2018.

[23] WANG W, MANAS-ZLOCZOWER I. Temporal distributions: The basis for the development of mixing indexes for scale-up of polymer processing equipment[J]. Polymer Engineering & Science, 2001, 41(6): 1068-1077.

基金资助

陕西省自然科学基金项目(2023-JC-QN-0593)

陕西省重点研发计划项目(2023-YBGY-385)

陕西省教育厅2023年度一般科学研究专项计划项目(23JK0357)