论文部分内容阅读
近些年来,3D打印技术及3D打印材料引起了人们的广泛关注,其中,熔融沉积成型（FDM）3D打印技术因为3D打印机和3D打印耗材操作简单、价格便宜、易于制造和生产、打印尺寸范围大等优点,具有更强的生命力。聚乳酸（PLA）作为适用于FDM型3D打印的材料的可降解的材料,在3D打印材料中最受重视。但PLA韧性差、易断裂,且熔点较低、热稳定性差,这极大地限制了其作为3D打印材料的应用范围。因此,通常采用添加增强材料来提高PLA基3D打印材料的力学性能和热稳定性。天然植物纤维的密度低、机械性能优良、价格较低、环境友好性高,其与可降解的聚乳酸（PLA）复合来制备生物质基3D打印材料有非常重要的意义。本文选用松木粉和杨木粉作为增强材料、聚乳酸作为基材,采用熔融挤出共混和注塑成型方法分别制备了松木粉/聚乳酸（PWF/PLA）木塑复合材料和杨木粉/聚乳酸（CWF/PLA）木塑复合材料,然后两种木塑复合材料经单螺杆挤出拉丝制备FDM型3D打印线材。并测试了木塑复合材料的力学性能进,通过热重分析（TG）分析了复合材料的热性能,利用X射线衍射（XRD）测试了复合材料的结晶性能,借助扫描电镜（SEM）观察了复合材料断面的微观形貌等。探究了松木粉和杨木粉的改性方法及其对复合材料机械性能和3D打印的影响;研究了添加不同含量的纳米二氧化硅（nano-SiO2）、纳米二氧化钛（nano-TiO2）和蒙脱土对复合材料力学性能、热力学性能、微观结构、3D打印性能等的影响。主要研究内容和结果如下:（1）为了改善松木粉和杨木粉与基体材料的界面性能,用碱处理和硅烷偶联剂（KH590）处理等方法对松木粉和杨木粉进行表面改性。IR和TG分析结果表明,经过碱液处理后的木粉,能够有效地地去除木粉中的果胶、半纤维素和木质素等,经过碱处理和KH590改性后的松木粉和杨木粉具有更好的热稳定性;SEM分析结果表明,通过对木粉进行化学改性,松木粉和杨木粉与聚乳酸的界面相容性得到改善,松木粉和杨木粉较好地包裹在聚乳酸基体中,没有明显的木质纤维被拔出而产生的孔洞,木粉更加均匀分布在PLA聚乳酸基体中。（2）利用双螺杆熔融挤出共混和注塑成型工艺制备了化学改性松木粉/杨木粉增强PLA木塑复合材料。随着化学改性松木粉/杨木粉含量增大,木塑复合材料的拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度均呈现先增大后下降的趋势。CWF/PLA和PWF/PLA木塑复合材料制作的打印线材在FDM型3D打印机上进行3D打印标准样条测试,所得CWF/PLA打印样条其强度可以达到注塑样条强度的90%以上,完全满足3D打印的需求;PWF/PLA木塑线材的打印性能良好,粘附力强,不翘边、不断层、不堵头,打印过程流畅,并且打印过程中弥漫着木香。杨木粉木塑复合材料的弯曲强度和拉伸强度均没有松木粉木塑复合材料的高,但是冲击强度为松木粉的3倍左右,考虑3D打印的综合应用最终选择用松木粉作为3D打印用木粉。（3）在改性松木粉/PLA木塑复合材料中加入纳米二氧化硅可以大幅度提高木塑复合材料的各项力学性能,同时提高了其热稳定性,并随着纳米二氧化硅含量的增多其力学性能逐渐增强。但是因为纳米二氧化硅质地蓬松,考虑到加工方便,而且5wt%后性能提高幅度不大,所以选用含量为5wt%。在此条件下木塑复合材料的吸水率是随着木粉含量的增大而增大,木塑复合材料的各项力学强度是随着木粉含量的增多而呈先升高后降低的趋势,并在木粉含量15wt%时候达到最佳。（4）在改性松木粉/PLA木塑复合材料中加入纳米二氧化钛也可以提高其力学强度,但是加入纳米二氧化钛后提高了木塑复合材料抗菌性能,在纳米二氧化钛的添加量为5wt%时,木塑复合材料对大肠杆菌的抗菌率达到86.23%。木塑复合材料的力学性能随着纳米二氧化钛含量的逐渐增多呈一个先升高后降低趋势,在含量2wt%时其力学性能达到最佳。（5）在改性松木粉/PLA木塑复合材料中加入蒙脱土可以提高复合材料力学强度,并且显著提高了其阻燃性,其阻燃性随着蒙脱土含量增大而提高,在蒙脱土的含量为10%时,木塑复合材料氧指数达到33.5。木塑复合材料的力学性能随着蒙脱土含量的增多呈一个先升高后降低趋势,在含量6wt%是木塑复合材料的各项力学性能达到最佳。（6）在改性松木粉/PLA木塑复合材料中加入纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、蒙脱土制备的木塑复合材料均可应用于FDM型3D打印技术,具有良好的3D打印性能。