戴旭陽(yáng) 陳峰 楊雪 李文杰 楊煜

摘要：? 以楊木粉、聚乳酸（PLA）顆粒和馬來(lái)酸酐接枝聚烯烴熱塑彈性體為原料，采用正交試驗(yàn)法對(duì)楊木粉-彈性體共混改性PLA線材的擠出工藝進(jìn)行優(yōu)化。以楊木粉粒徑、木粉含量、擠出溫度、擠出速度為自變量影響因子，以最大彎曲應(yīng)力、彈性模量、拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率為考察對(duì)象，考察工藝條件對(duì)3D打印用楊木粉和POE-g-MAH共混改性PLA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，從而確定最優(yōu)工藝條件為：楊木粉的粒徑為200目、楊木粉的含量為10%、拉絲溫度為150 ℃、拉絲速度40 r/min，經(jīng)過(guò)單因素試驗(yàn)驗(yàn)證，正交試驗(yàn)直觀分析與單因素試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致。表明正交試驗(yàn)分析可用于楊木粉-彈性體共混改性PLA線材工藝的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：? 正交試驗(yàn)法;? 木粉;? 聚乳酸;? 馬來(lái)酸酐接枝聚烯烴熱塑彈性體;? 最優(yōu)配比

中圖分類號(hào)：? ?S 781. 23? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001 - 9499（2021）06 - 0044 - 05

聚乳酸（PLA）是來(lái)源于可再生的聚合物材料，是廣泛運(yùn)用的生物質(zhì)材料[ 1 ]。PLA像大部分熱塑性塑料一樣可以拉成絲狀，其表面易于印刷，因此PLA可廣泛作為3D打印材料[ 2 - 5 ]，但PLA具有韌性差、耐熱性差等缺點(diǎn)，這是目前亟待解決的問(wèn)題[ 6 - 7 ]。

木粉作為天然原料、增強(qiáng)材料被廣泛應(yīng)用到PLA的改性中，有學(xué)者對(duì)80～120目木粉應(yīng)用在線材工藝優(yōu)化進(jìn)行了研究，并取得了重大進(jìn)步[ 8 - 10 ]，但仍存在木粉在PLA分散不均勻等問(wèn)題，也未見到更細(xì)的木粉粉體應(yīng)用到3D打印材料的研究中。另外，經(jīng)項(xiàng)目組前期的市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上木質(zhì)粉體-PLA線材在3D打印過(guò)程中，由于溫度過(guò)高出現(xiàn)碳化損壞噴頭現(xiàn)象。因此，本研究針對(duì)以上問(wèn)題，選用脈沖-旋流氣流干燥楊木粉提高木粉的分散度，以馬來(lái)酸酐接枝聚烯烴熱塑彈性體（POE-g-GMA）為相容劑，采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化楊木粉-PLA線材的擠出工藝，探索工藝條件在3D線材復(fù)合材料制備的適應(yīng)性和可靠性。

1 材料與儀器

1. 1 材 料

聚乳酸顆粒（PLA，東莞市凱西利塑料有限公司），熔流率（ 240 ℃，以 2.16 kg 計(jì)） 為7.0 g/10 min，密度1.27 g/cm3，;馬來(lái)酸酐接枝聚烯烴熱塑彈性體（POE-g-MAH，AMPLIFY GR216，美國(guó)陶氏化學(xué)公司），熔流率（ 190 ℃，以 2.16 kg 計(jì)） 為1.25 g/10 min，比重0.875 g/cm3;潤(rùn)滑劑 （TPW604，美國(guó)Struktol公司）。楊木木粉，100～300目，購(gòu)自靈壽縣百豐礦產(chǎn)品加工廠，初含水率9.2%。

1. 2 儀 器

鼓風(fēng)干燥箱（101-1S，浙江力辰儀器科技有限公司）;脈沖-旋流氣流干燥機(jī)（MQG-50，江蘇健達(dá)干燥工程有限公司）;萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)（WDW- 20，長(zhǎng)春科新實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）;自然堆積密度計(jì)（XF-16913，湖南力辰儀器科技有限公司）;含水率測(cè)定儀（MB23，奧豪斯儀器（上海）有限公司）;單螺桿FDM線材擠出機(jī)（蘇州融杰輝智能科技有限公司）;FDM 3D打印機(jī)（3DP-150，渭南鼎信創(chuàng)新智造科技有限公司）。

2 方法與結(jié)果

2. 1 樣品預(yù)處理

楊木木粉通過(guò)篩網(wǎng)篩分獲得100目-、200目-、300目-木粉，經(jīng)鼓風(fēng)干燥箱103±2 ℃干燥使其含水率為5.3%±0.2%，再經(jīng)過(guò)脈沖-旋流氣流干燥機(jī)進(jìn)行二次干燥，獲得終含水率為2.8%±0.2%，干燥條件為進(jìn)風(fēng)溫度160 ℃，進(jìn)風(fēng)速度11 m/s，進(jìn)料速度30 Hz，獲得較好分散性的木粉。

2. 2 堆積密度的測(cè)定

按照GB/T 16913-2008 粉塵物性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行木粉采集和自然堆積密度測(cè)試，連續(xù)3次測(cè)定所得粉塵質(zhì)量，最大值與最小值之差應(yīng)小于1 g，取符合要求的3次測(cè)量平均值作為測(cè)定結(jié)果（表1）。

2. 3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

POE-g-MAH含量為3%，潤(rùn)滑劑含量2%，試驗(yàn)選取木粉粒徑、木粉含量、擠出溫度、擠出速度為考察指標(biāo)，分別用 A、B、C、D表示，選擇木塑復(fù)合材料試驗(yàn)件彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)（表2）。

2. 4 試件制備

將 PLA、POE-g-MAH和木粉按照配比，在張家港市米亞格機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SHR-5A小型塑料高速混合機(jī)中混合15 min至均勻。將混合料在單螺桿擠出機(jī)在150 ℃進(jìn)行造粒。將混合后的粒料加入到蘇州融杰輝智能科技有限公司的單螺桿3D線材擠出機(jī)中擠出成型，擠出成型的線材經(jīng)過(guò)（1.75±0.02） mm的孔徑，冷卻水冷卻，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量直徑在（1.75±0.05） mm范圍內(nèi)，置于恒溫恒濕箱（25±2） ℃陳放24 h。

首先根據(jù)GB/T9341–2000與GB/T 1040.1-? 2018標(biāo)準(zhǔn)使用Solidworks軟件（Solidworks2016，達(dá)索系統(tǒng)Solidworks公司）繪制彎曲試件與拉伸試件的三維模型，保存格式為*.stl格式，將該文件導(dǎo)入到3D打印控制軟件ReplicatorG。在控制面板中設(shè)置打印噴頭目標(biāo)溫度為180 ℃，層高0.2 mm，將模型分層切片成3D打印機(jī)可識(shí)別的Gcode代碼，同時(shí)開啟FDM3D打印機(jī)（3DP-? ?150，渭南鼎信創(chuàng)新智造科技有限公司），并將制得的PLA-楊木粉線材載入3D打印機(jī)送絲機(jī)構(gòu)，逐層堆積分層打印，最終打印出彎曲試件與拉伸試件的實(shí)體。

對(duì)3D打印得到的拉伸試件和彎曲試件，使用細(xì)砂紙打磨平整光滑，分別按照GB/T9341–2000與GB/T 1040.1-2018標(biāo)準(zhǔn)使用萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)（WDW-20，長(zhǎng)春科新實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)對(duì)比PLA力學(xué)性能的差異，確定3D 打印的線材的制備工藝最優(yōu)條件。

3 結(jié)果與分析

3. 1 正交試驗(yàn)結(jié)果

由L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果（表3）、極差分析（表4）和方法分析（表5）可知：以彎曲強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，4種因素影響作用的強(qiáng)弱為 B>A>D>C，最佳的工藝條件為A1B1C2D3，因素B呈極顯著性;在以彈性模量為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，4種因素影響作用強(qiáng)弱為C>D>B>A，最佳的工藝條件為A1B3C2D3，因素C呈極顯著性;在以拉伸強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，4種因素影響作用強(qiáng)弱為D>C>A>B，最佳的工藝條件為A1B3C2D2，但各因素均不顯著;在以斷裂伸長(zhǎng)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，4種因素影響作用強(qiáng)弱為D>C=A>B，最佳的工藝條件為A2B2C3D2，各因素均不顯著。綜合結(jié)果來(lái)看，正交試驗(yàn)確定的最佳工藝條件為A2B1C2D2，即楊木粉的粒徑為200目，楊木粉的含量為10%，拉絲溫度為150 ℃，拉絲速度40 r/min。

3. 2 楊木木粉含量對(duì)PLA/楊木粉復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

結(jié)合最佳實(shí)驗(yàn)條件對(duì)木粉含量的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證（圖1），以不添加木粉的PLA/POE-g-? ?MAH最佳工藝條件下的材料作對(duì)照樣。添加木粉復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度小于不添加的;彈性模量略高于不添加的，說(shuō)明木粉對(duì)于PLA的彈性模量有一定的增強(qiáng)作用。

隨著楊木粉含量的增加，其彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，當(dāng)楊木粉含量從10%提高到25%時(shí)，彎曲強(qiáng)度從75.62 MPa 降為59.28 MPa，降低了21.6%。當(dāng)楊木粉的含量在10%時(shí)，能夠在PLA中分散均勻，PLA滲入到楊木粉內(nèi)部的纖維孔隙中作為粘結(jié)劑，使楊木粉中的纖維會(huì)發(fā)生彼此交叉、纏繞，加強(qiáng)了PLA/楊木粉復(fù)合材料的力學(xué)性。但隨著楊木粉含量的提高，楊木粉內(nèi)部羥基作用，使其在PLA中分散困難，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。另外，在打印參數(shù)設(shè)置相同的情況下，木粉含量越高，線材流動(dòng)性受到限制，在噴頭的流動(dòng)性較差，從而降低了PLA/楊木粉復(fù)合材料的力學(xué)性能，這與前人研究是一致的[ 11 - 12 ]。

3. 3 溫度對(duì)PLA/楊木粉復(fù)合材料力學(xué)性能的驗(yàn)證試驗(yàn)

由溫度對(duì)PLA/楊木粉復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彈性模量的影響（圖2）可知：溫度對(duì)PLA/楊木粉復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彈性模量存在一定影響。隨著溫度的增加，其彈性模量和彎曲強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)。在150 ℃加工溫度時(shí)，PLA/楊木粉復(fù)合材料的彈性模量為3 143.9 MPa，相對(duì)于110 ℃的彈性模量2 845.5 MPa，提高了10.49%，相比對(duì)照樣的3 003.1 MPa提高了4.69%，

當(dāng)溫度升高為170 ℃時(shí)，PLA/楊木粉復(fù)合材料的彈性模量略有下降，為3 116.3 MPa，降低了0.88%。其原因可能是溫度升高，增加高彈性體POE-g- MAH在PLA樹脂中的熔融流動(dòng)性，有利于POE-g-MAH與PLA中形成良好的交聯(lián)，有效的包裹木粉，當(dāng)外力施加到PLA/楊木粉復(fù)合材料時(shí)，外力通過(guò)系統(tǒng)能夠有效傳遞到楊木粉上，從而使PLA/楊木粉復(fù)合材料的彈性模量得到提高，但是隨著溫度繼續(xù)升高，會(huì)使發(fā)生木粉輕微的降解，從而影響彈性模量。

4 結(jié) 論

4. 1 正交試驗(yàn)得到力學(xué)性能最佳的工藝條件為A2B1C2D2，即楊木粉的粒徑為200目，楊木粉的含量為10%，拉絲溫度為150 ℃，拉絲速度40 r/min。木粉含量對(duì)彎曲強(qiáng)度的顯著性極強(qiáng)，拉絲溫度對(duì)彈性模量的顯著性極強(qiáng)，工藝條件對(duì)于拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率影響不顯著。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，正交試驗(yàn)方法可用于楊木粉-彈性體共混改性PLA線材工藝的優(yōu)化。

4. 2 當(dāng)楊木粉含量增加時(shí)，楊木粉-彈性體共混改性PLA的彎曲強(qiáng)度與彈性模量均不斷下降，當(dāng)添加量從10% 增加到25%時(shí)，彎曲強(qiáng)度下降了21.6%。

4. 3 當(dāng)溫度升高時(shí)，楊木粉-彈性體共混改性PLA的彎曲強(qiáng)度與彈性模量呈先增大后減小，150 ℃加工溫度相對(duì)于110 ℃的彈性模量2 845.5 MPa，提高了10.49%。

4. 4 下一步研究會(huì)采用分析木粉、POE-g-MAH對(duì)于PLA的改性機(jī)理;對(duì)比不同的可反應(yīng)相容劑、不可反應(yīng)想容劑和偶聯(lián)潤(rùn)滑劑含量對(duì)于木粉-彈性體共混改性PLA力學(xué)性能和機(jī)理的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉一楠.? 冷卻速率及纖維形態(tài)對(duì)木纖維/聚乳酸復(fù)合材料性能的影響[D].? 北京：? 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院， 2014.

[2] 李雄豪.纖維增強(qiáng)PLA的3D打印材料制備及力學(xué)性能分析[D].杭州：? 浙江農(nóng)林大學(xué)， 2018.

[3] 姜洪麗. 木粉含量對(duì)木粉/PE-HD復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].泰山醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2007（4）： 256 - 259.

[4] 盧秉恒.? 3D打印正進(jìn)入發(fā)展期[J]. 信息技術(shù)與信息化， 2014（9）： 6.

[5] 王雪瑩.? 3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].? 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)， 2012（26）： 3 - 5.

[6] 陳新偉.? 三維噴繪機(jī)器人噴墨機(jī)理研究[D].? 天津：? ?南開大學(xué)， 2009.

[7] 張文杰 .? 硅烷偶聯(lián)潤(rùn)滑劑對(duì) PP 基木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響 [J].? 科技信息， 2013（13）：3–4.

[8] 郭文靜，? 鮑甫成，? 王正.? MAPP 相容劑對(duì) WF/PLA 復(fù)合材料性能的影響[J].? 塑料， 2009， 38（4）： 7–9.

[9] 許民，? 畢永豹，? 宋永明.? 楊木木粉/聚乳酸復(fù)合材料的制備及其在3D打印上的應(yīng)用[J]. 科技導(dǎo)報(bào)， 2016， 034（019）： 132 - 137.

[10] 楊兆哲.? 楊木粉/PLA復(fù)合材料的研究及其在3D打印中的應(yīng)用[D].? 哈爾濱：? 東北林業(yè)大學(xué)， 2018.

[11] Fang L， Gengbin Z， Polytechnic D. Effect of Different Compatibilizers on Properties of PLA/Wood Flour Composites for FDM[J]. Plastics Science and Technology， 2019.

[12] Ayrilmis N， Kariz M， Kwon J H， et al. Effect of printing layer thickness on water absorption and mechanical properties of 3D-printed wood/PLA composite materials[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019.

第1作者簡(jiǎn)介：? 戴旭陽(yáng)（1999-），? 男，? 本科。

通訊作者：? 陳峰（1984-），? 男，? 講師，? 博士，? 主要從事木材干燥及生物質(zhì)復(fù)合材料的研究。

收稿日期： 2021 - 08 -? 17

（責(zé)任編輯：? ?李 丹）