PLA基3D打印木塑复合材料的制备及性能研究

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作者：

刘凌霄

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摘要：

在3D打印材料中,聚乳酸(PLA)因其具备可完全生物降解的特性而受到学术研究人员的普遍高度重视.但与此同时它也存在生产成本高,质脆,耐热性差,拉伸性能差的缺点,这些缺点限制了其在3D打印中的应用.植物纤维与PLA混合所生成的复合材料既可以综合两者的优点,又可弥补单一材料的不足之处,实现优势互补,具有很好的实用价值.但目前植物纤维/PLA木塑复合材料在3D打印中的应用仍存在很多的不足,主要问题不仅在于可用于3D打印中的PLA基木塑复合材料种类较少,还在于很少对制备出的新型复合材料在3D打印中的应用进行探究.针对这些不足,本文以漂白浆纤维,机械浆纤维,报纸浆纤维,桉木粉,松木粉,木质素和PLA为原料,以硅烷偶联剂(KH550),马来酸酐接枝聚乳酸(PLA-g-MAH)为相容剂,制备可用于3D打印的PLA基木塑复合材料.首先,在制备木塑复合材料之前先用KH550对纤维进行改性处理.探究改性植物纤维种类,含量对复合材料综合性能的影响.结果表明,随着纤维含量的增加,复合材料的吸水率,表观密度,拉伸强度整体都有所提高,熔体流动速率整体呈下降趋势.在纤维添加量相同的情况下,木质素/PLA复合材料综合性能最好.选用木质素增强PLA,通过SEM分析可知,当木质素添加量为15%时,木质素与PLA之间的相容性最好.通过DSC曲线可知,木质素可以提高纯PLA的结晶性能,改善PLA结晶温度,以及促进熔融峰的形成,当加入15%木质素时,复合材料的结晶温度较高,为102.36℃,较纯PLA提高了51.71%.其次,用KH550和PLA-g-MAH作为相容剂,制备木质素含量为15%的PLA基木塑复合材料.结果表明,KH550和PLA-g-MAH的加入可以很好的改善复合材料的吸水率,表观密度,拉伸强度,熔体流动速率,相容性等性能,当3%KH550和3%PLA-g-MAH共同作用时,木质素分布均匀,复合材料的综合性能最佳.最后,将制备好的综合性能最佳的木质素/PLA木塑复合材料用于3D打印之中,打印效果良好.利用正交实验探究了填充率,层厚度,打印温度对新材料力学性能的影响,通过直观分析法,极差分析与方差分析相结合的方法得到了打印过程中填充率对力学性能的影响所占比重极大,其次为层厚度,打印温度对其几乎没有影响.还确定了新材料的3D打印工艺参数最优组合为填充率80%,层厚度0.3mm,打印温度200℃,解决了新型复合材料在打印过程中工艺参数选择这一难题.

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