植物纤维-聚乳酸复合材料研究现状及3D打印应用展望
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科技创新导报2018 NO.02Science and Technology Innovation Herald
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald108工业技术
①作者简介:王红蕾(1992—),女,汉族,黑龙江富锦人,硕士,研究方向:设计学。 陶毓博(1973—),女,黑龙江哈尔滨人,博士,副教授,研究方向:产品设计。 通讯作者:李鹏(1973—),男,黑龙江哈尔滨人,博士,教授,博士生导师,研究方向:产品设计,E-mail:lipeng@nefu.edu.cn。DOI:10.16660/j.cnki.1674-098X.2018.02.108植物纤维/聚乳酸复合材料研究现状及3D打印应用展望①王红蕾 李鹏* 陶毓博(东北林业大学材料科学与工程学院 黑龙江哈尔滨 150040)摘 要:针对新型制造技术的一个重要材料,文章综述了木粉、木纤维、农作物秸秆、麻纤维、纤维素等植物纤维/聚乳酸复合材料的研究现状,并对植物纤维/聚乳酸复合材料在3D打印中的应用与开发前景进行了分析和展望。关键词:植物纤维 聚乳酸 复合材料 3D打印中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2018)01(b)-0108-03Abstract: This paper introduced the research status of plant fiber/polyactic acid composites including wood powder/fiber, agricultural straw, hemp fiber, and cellulose fiber composite. This kind of composites application and development in 3D printing were analyzed and prospected too. Key Words: Plant fiber; Polylactic acid; Composites; 3D printing 聚乳酸(PLA)是以玉米、马铃薯等淀粉为原料得到乳酸,再经聚合反应制得,可在自然环境中降解,是环保型生物塑料。3D打印技术是基于三维模型数据,通过材料逐层增加方式制造成型三维物体。目前熔融沉积成型(FDM)3D打印技术应用最为普及,FDM成型使用线状材料为原料,利用电加热方式将线材在喷头中加热至呈熔融状态。喷头做X-Y平面的扫描运动,将熔融的材料从喷头挤出涂覆在工作台上,冷却后形成制品的一层截面,一层成型后,喷头上移一层高度,进行下一层涂覆,这样逐层堆积打印形成三维实体。近年来聚乳酸已成为FDM打印应用最广的耗材之一。但聚乳酸也有拉伸强度较低、脆性大等性能缺点,已有研究表明植物纤维/聚乳酸复合材料能够明显改善聚乳酸缺陷,而且降低了材料成本,扩大了材料的应用范围[1]。这篇文章综述了植物纤维/聚乳酸复合材料的研究现状,并对其在3D打印技术中的应用进行展望。常用植物纤维有木粉、稻草、麻、椰壳等可由农林加工剩余物获得。1 植物纤维/聚乳酸复合材料研究现状1.1 木粉、木纤维/聚乳酸复合材料宋丽贤等[2]以80目桉木木粉为原料,热压法制备木粉/聚乳酸复合材料。木粉的添加对复合材料弯曲强度和拉伸强度都有明显提高。其中当木粉添加量为30wt%时,材料弯曲强度达到43.2MPa;当木粉添加量为50wt%时,复合材料的拉伸强度达到29.2MPa。木粉经过硅烷偶联剂KH-570改性后在基体中分散均匀,界面相容性也较良好。Csizmadia等[3]以72目的木粉制备了酚醛树脂改性木粉/聚乳酸复合材料。1wt%的酚醛树脂改性木粉结果表明材料的力学强度有明显提高,吸水率有明显降低。性能改善是由于界面相容性提高。杨龙等[4]通过熔融挤出法制备杨木木粉/聚乳酸复合材料。研究表明木粉的最佳目数为40~60目,木粉和聚乳酸的最佳比例为3∶7。相容剂甘油用量为6%时,木粉和聚乳酸的相容性、力学性能最好。当马来酸酐用量为1%接枝聚乳酸时,材料的力学性能、相容性、断裂伸长率和吸水率达到最佳。加入硅烷偶联剂KH-550的用量为1.5%材料的力学性能最佳。华晋等[5]以大于30目的木粉为原料,偶联剂为马来酸酐,通过热压法制备复合材料。木粉的添加有效地提高材料的抗拉强度,当木粉由10wt%增至25wt%时,抗拉强度增加了3倍。马来酸酐提高了复合材料的相容性,还能有效地降低材料吸水率。吴义强等[6]采用平均长度为30~60目的木纤维,以注射成型工艺为基础,制备了木纤维/聚乳酸复合材料。采用8%NaOH和3%硅烷偶联剂KH560协同对木纤维表面进行改性处理可以明显地改善材料的力学性能。胡建鹏等[7]采用20~80目的木纤维,添加剂为木质素磺酸铵,用热压法制备了木纤维-木质素磺酸铵-聚乳酸复合材料,获得综合优化参数为聚乳酸33wt%、木质素磺酸铵添加量25wt%,热压时间为7.5min,复合材料性能满足潮湿状态下使用的普通型中密度纤维板性能标准。
Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.科技创新导报2018 NO.02Science and Technology Innovation Herald
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald109工业技术1.2 农作物秸秆/聚乳酸复合材料 1.2.1 稻草 秦力军[8]以100~300μm的稻草,采用热压法制备稻草/聚乳酸复合材料,随着稻草含量增加,复合材料拉伸强度、相容性和断裂伸长率都有不同程度的降低。10%稻草的加入可以提高复合材料的结晶度。廖枝飞[9]以200~250目的稻草纤维为填料、以线性脂肪聚酯为增韧剂,采用热压法制备复合材料,对比分析3种不同的硅烷偶联剂(A171、A-Link35、A1100)对复合材料性能的影响,A171能够明显提高材料的断裂伸长率和体系相容性。1.2.2 麦秆巫丽英等[10]以长麦秆作为填料,热压法制备了麦秆/聚乳酸复合材料。麦秆体积分数为30%时材料各项性能优异,经过碱处理的麦秆复合材料拉伸强度和弯曲强度提高较大,而且增强了麦秆与聚乳酸之间的相容性。周娟娟[11]通过共混挤出法制备了麦秆/聚乳酸复合材料。实验表明3vol%KH550改性后的麦秆复合材料机械性能最佳,对比未经过处理的复合材料,弯曲强度、抗拉强度和冲击强度分别提高了7.69%、23.53%和180%。1.3 纤维素纤维/聚乳酸复合材料俞秋燕等[12]以乙酸、高氯酸等对纳米纤维素进行改性,通过溶液浇铸法制备改性纳米纤维素/聚乳酸复合材料。改性后的纳米纤维素在聚乳酸中的分散性均匀,材料透明度高。纳米纤维素用量小于4wt%时分散性均匀,纤维素含量增加提高了材料的储能模量,但对玻璃化转变温度几乎无影响。沈晓婷等[13]以微晶纤维素(MCC)为填充剂,采用热压法制备聚乳酸复合材料。研究聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面处理的微晶纤维素对复合材料性能的影响,结果表明PMMA包覆MCC增加了弯曲强度。王娟[14]通过热压法压制了纳米纤维素/聚乳酸复合材料。最佳工艺参数为5wt%的纳米纤维素、混炼温度190℃、平板硫化机压板时间4min、KH560偶联剂改性纳米纤维素时,复合薄膜的综合性能最好。1.4 其他植物纤维/聚乳酸复合材料1.4.1 椰壳椰壳纤维的韧性良好,综合利用价值高,适用于复合材料的加工。杨舒宇等[15]以环氧包覆型聚磷酸铵为添加剂、与椰壳纤维和聚乳酸熔融热压制备复合材料。结果表明椰壳纤维和环氧包覆型聚磷酸铵对复合材料体系的阻燃性能有协同效果,能有效阻燃。1.4.2 麻麻纤维包括洋麻、苎麻、大麻、亚麻、黄麻和剑麻等,麻纤维生长周期短,质量较轻、抗冲击强度较高,而且价格较低。姜爱菊[16]采用了丙交酯接枝剑麻纤维(50~200μm),通过热压成型制备聚乳酸复合材料。接枝处理能够提高体系相容性及机械性能,但降低了材料的热稳定性。随着剑麻纤维含量增加材料的酶解速率增快,土埋降解实验表明碱处理剑麻纤维复合材料降解速率快。王春红等[17]采用模压工艺制备了苎麻织物增强聚乳酸复合材料。经过碱和硅烷偶联剂表面改性处理后苎麻织物/聚乳酸复合材料的弯曲性能模量、弯曲强度模量比未处理时分别提高了38.0%和66.8%。改性处理后苎麻织物纤维与树脂之间的界面结合更好。1.4.3 竹钱少平[18]以溶液浇铸法制备了硅烷偶联剂改性竹纳米纤维素晶须/聚乳酸复合材料,复合材料断裂伸长率得到提高。制备的竹纳米纤维素晶须、聚乳酸和超微竹炭粒子三元复合材料,较纯聚乳酸相比,明显提高了拉伸强度和断裂伸长率。李新功等[19]采用氢氧化钠和异氰酸酯调控竹纤维/聚乳酸复合材料界面,通过注射成型工艺制备竹纤维/聚乳酸复合材料。氢氧化钠和异氰酸酯协同改性提高了材料的界面相容性、拉伸强度和冲击强度,降低了材料吸水率,增加了复合材料老化时间。1.4.4 混杂型植物纤维付武昌(2015)[20]以竹原纤维和椰壳纤维分别与剑麻纤维混杂制成聚乳酸复合材料。研究表明两种混杂型复合材料经过碱液处理后,热稳定性都有所提高。竹原纤维与剑麻纤维的最佳混杂比为5∶5,剑麻纤维与椰壳纤维的最佳混杂比为7∶3。2 植物纤维/聚乳酸复合材料应用于3D打印陈卫等[21]以JoncrylADR4370S为扩链剂对聚乳酸进行改性。改性后的PLA的力学性能、耐热性和熔体强度有所增强。采用FDM型桌面3D打印机测试了PLA线材的打印效果也较为良好。许民等[22]以FDM技术为基础,研究了复合材料混合工艺,添加木粉后,复合材料的流动性变差,流体阻力增大。德国的生物塑料混炼商FKuR与荷兰的Helian聚合物公司等多家企业联合开发出以FDM为基础的植物纤维/聚乳酸3D打印材料。荷兰Colorfabb产品系列的供应商开发的材料woodFill-Fine和Bamboofill,植物纤维复合聚乳酸3D打印材料产品具有优越的木材天然质感,设计应用领域更为广泛[23,24]。Tao等[25]将平均粒径为0.09mm、5wt%的杨木木粉加入到PLA中,混合后以挤出成型得到直径为1.75mm的线材用于3D打印。与纯聚乳酸线材相比,添加木粉改变了材料断裂表面的微观结构,在力学性能上复合材料的初始变形阻力增加,起始热分解温度的复合略有下降,对熔融温度没有明显影响。3 结语目前植物纤维/聚乳酸复合材料成型工艺有熔融挤出法、注射法、热压法、溶液浇铸法、模压工艺等。其中熔融挤出法可为FDM型3D打印塑料耗材的制备和打印工艺所借Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.科技创新导报2018 NO.02Science and Technology Innovation Herald
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald110工业技术鉴与参考。今后3D打印用植物纤维/聚乳酸复合材料开发应着重提高植物纤维含量、界面相容性和力学强度。随着植物纤维/聚乳酸复合材料的研究不断进步,其在3D打印中的应用也会越来越广泛,成为新型制造技术的一个重要材料。参考文献[1] 李鹏,陶毓博.产品设计材料与工艺基础[M].北京:科学出版社,2016.[2] 宋丽贤,姚妮娜,宋英泽,等.木粉/聚乳酸可降解复合材料性能研究[J].功能材料,2014,5(45):37-39.[3] R.Csizmadia,G.Faludi,K.Renner,et al.PLA/wood biocomposites:Improving composite strength by chemical treatment of the fibers [J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2013,53(1):46-53.[4] 杨龙.木粉/聚乳酸复合材料的制备及性能表征[D].东北林业大学,2015.[5] 华晋,赵志敏,余伟,等.聚乳酸/木粉复合材料的力学及吸水性能研究[J].功能材料,2011,10(42):1762-1764.[6] 吴义强,李新功,秦志永,等.木纤维/聚乳酸可生物降解复合材料的制备和性能研究[J].中南林业科技大学学报, 2012,32(1):100-103.[7] 胡建鹏,郭明辉.木纤维-木质素磺酸铵-聚乳酸复合材料的工艺优化与可靠性分析[J].北京林业科技大学学报,2015,37(1):115-120.[8] 秦力军.稻草聚乳酸复合材料的制备及其界面改性研究 [D].兰州大学,2008.[9] 廖枝飞.聚乳酸/稻草纤维复合材料性能研究[D].清华大学,2012.[10] 巫丽英,许福军,庞莎莎,等.麦秆/聚乳酸绿色复合材料的制备及其拉伸、弯曲性能测试[A].第十届中日复合材料学术会议[C].2011.[11] 周娟娟.麦秸纤维与聚乳酸相容性及其复合材料增韧改性的研究[D].南京航空航天大学硕士论文,2011.[12] 俞秋燕,严灵芝,刘翔,等.聚乳酸/改性纳米纤维素复合材料制备及性能[J].包装工程,2016,37(7):28-32.[13] 沈晓婷,于磊,杨学莉,等.微晶纤维素/聚乳酸复合材料的性能研究[J].化学与黏合,2014,36(4):265-267.[14] 王娟.纳米纤维素/聚乳酸可生物降解复合材料的制备及性能研究[D].广西大学,2013.[15] 杨舒宇,徐鼎,庞素娟,等.PLA/椰壳纤维阻燃复合材料的制备与性能研究[J].塑料科技,2015,43(1):69-72.[16] 姜爱菊.剑麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备及性能研 究[D].华南理工大学,2012.[17] 王春红,任子龙,李姗,等.苎麻织物表面改性对其增强热 固性聚乳酸复合材料力学及阻燃性能的影响[J].复合材料学报,2015,32(2):444-450.[18] 钱少平.竹纳米纤维素晶须增强聚乳酸复合材料界面结合及强化机理研究[D].浙江大学,2016.[19] 李新功.竹纤维聚乳酸可生物降解复合材料界面调控及性能研究[D].中南林业科技大学,2015.[20] 付武昌.混杂植物纤维增强聚乳酸可生物降解复合材料的制备及性能研究[D].华南理工大学,2015.[21] 陈卫,汪艳,傅轶.用于3D打印的改性聚乳酸丝材的制备与研究[J].工程塑料应用,2015,43(8):21-24.[22] 许民,毕永豹,宋永明.杨木木粉/聚乳酸复合材料的制备及其在3D打印上的应用[J].科技导报,2016,34(19): 132-136.[23] 严淑芬.3D打印用的含有天然纤维增强PLA[J].现代塑料加工应用,2015,27(5):7.[24] 王成成.3D打印用聚乳酸及其复合材料的研究进展[J].塑料科技,2016,44(6):89-91.[25] Yubo Tao,Honglei Wang,Zelong Li. Development and Application of Wood Flour-Filled Polylactic Acid Composite Filament for 3D Printing[J].Materials,2017,10(4):339.
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