基于米粉废弃物的活性炭和3D打印材料的合成与性能研究

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近年来,3D打印技术发展迅速,聚乳酸(PLA)打印耗材成为熔融堆积成型(FDM)3D打印技术的主流耗材,但PLA耗材有脆性大,抗冲击性能差,功能特性单一等弱点,且价格较昂贵。另一方面,米粉是桂林市人民的日常饮食,市内每日产出大量的米粉废弃物,当前这些废弃物大部分用作低度发酵饲料的原料,其余则直接废弃,对土壤和水环境造成潜在污染。因此,基于以上两方面原因,我们将3D打印耗材、功能碳材料制备与米粉废弃物的回收利用相结合,以水热法处理米粉废弃物,分别以固液两部分为原料,设计合成基于米粉废弃物的活性炭(RAC)、碳/聚乳酸(RC/PLA)3D打印材料、碳量子点(RCQDs)和碳量子点/聚乳酸(RCQDs/PLA)3D打印材料,并对其性能进行调控和研究,得:(1)以米粉废弃物为原料,KOH为活化剂,采用化学活化法合成了废弃米粉基活性炭(RAC),并对其性能及其调控进行研究。结果表明,基于米粉废弃物的活性炭产品具有大的比表面积(1250.354m2/g)和优异的染料吸附性能(亚甲基蓝吸附值为377.7mg/g),对金属离子污染物也具有良好的吸附效果(六价铬离子吸附值为3.514mg/g),其指标优于市面销售的活性炭产品。(2)以米粉废弃物为原料,将通过水热法及高温煅烧得到的碳粉,与PLA共混复合后得到RC/PLA 3D打印复合材料,并对其性能及其调控进行研究。结果表明,RC/PLA复合材料的3D打印产品具有良好的抗冲击性能和拉伸性能,机械强度较纯PLA 3D打印耗材有较大提升。如复合5wt%煅烧碳粉的RC/PLA 3D打印产品抗冲击强度是纯PLA的7.56倍;复合1wt%煅烧碳粉的RC/PLA耗材较纯PLA拉伸强度增加71%,断裂伸长率增加130%。并且通过改变碳粉的用量和碳粉的处理方式,可以调控其性能,使其抗拉强度在17.5MPa~30MPa,断裂伸长率在7.44%~20.32%,抗冲击强度在1.28k J/m2~9.68 k J/m2之间变动。(3)以米粉废弃物为原料,将水热后得到的具有荧光特性的碳量子点(RCQDs)与PLA共混复合,获得RCQDs/PLA 3D打印材料,并对其性能及其调控进行研究。结果表明,所得RCQDs和RCQDs/PLA 3D打印产品均可发射出蓝色荧光,且能够高度选择性与Fe3+发生荧光猝灭反应,能够有效检测溶液中的Fe3+离子。其中,在Fe3+的浓度为10-4mol/L~6×10-4mol/L范围内,RCQDs/PLA 3D打印器件的荧光猝灭程度与Fe3+的浓度呈良好的线性关系,最低检测限为9.61×10-5mol/L,可以实现Fe3+离子的定量检测。RCQDs/PLA 3D打印元件对Fe3+离子检测具有高选择性,具有良好便携性,稳定性和可重复使用的特点。
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