这是第一次,生物碳增强聚乳酸(PLA)的单丝可用于3D打印。生物碳是从树木,植物,土壤和自然从大气中吸收和储存二氧化碳获得的碳。其中一个最重要的特点是可再生性。正因为如此,它已决定加强与PLA生物碳中获得的100%可回收材料。虽然PLA已经在3D被使用了很长时间打印时,更像外壳或汽车或其他车辆的结构内部应用可以实现的,如果机械和摩擦性能得到改善。由于新的PLA /生物碳增强复合材料是可降解的,它们可以被用来作为生命的结束作为结构材料后,土壤改良。通过将生物碳与聚丙交酯颗粒复配制备出纤维。生物碳是由小麦的热解产生茎在800℃。生物质是从在德国,欧洲不同地区收集。如图所示通过拉曼光谱法,热解小麦的面内的晶粒尺寸来自不同区域的茎几乎相似和量至2.35±0.02纳米。 Biocarbon particles were successfully integrated into the polylactide. Filaments of 1.75 mm diameter were produced for 3D (3-dimensional) printing. Filaments with 5 vol.-%, 15 vol.-%, and 30 vol.-% biocarbon were extruded. The fused deposition modelling (FDM) printing process was slightly hindered at higher biocarbon loading. Based on optical and scanning electron microscopy, a very homogeneous particle distribution can be observed. Single carbon particles stick out of the filament surface, which may be a reason for enhanced nozzle wear during 3D printing. Friction is more stable for 30 vol.-% reinforced PLA in comparison to unreinforced PLA and composites with lower particle fraction. This effect could be caused by some topographical effects due to void generation at the surface of PLA with 30 vol.-% biocarbon. In general, the tribological resistance increases with higher volume fraction of biocarbon.
聚乳酸(PLA)被认为是石油基聚合物的最佳替代品之一[GydF4y2Ba
目的是从可再生资源,具有改进的摩擦学特性完全生产复合材料。在加强解放军的部分应使用寿命结束后第二次。完成的操作,结构材料,组件可被切碎并用作通过简单的自我降解土壤改良剂。GydF4y2Ba
在这一应用阶段,钢筋的特殊特性应得到有效的应用。众所周知,生物炭通过保持矿物质、有用离子、营养物和水的有效水平来提高土壤质量,从而促进植物的丰富生长[GydF4y2Ba
虽然在作为结构材料应用后,作为农业土壤调理剂的应用将减少循环,但第一步是生产和测试这种生物复合材料。本文介绍了聚乳酸和生物碳合成的新型复合细丝。采用3D打印方法熔融沉积模型(FDM)对其进行进一步处理。几位研究人员的研究结果[GydF4y2Ba
研究了小麦秸秆热解制得生物碳。收集了来自欧洲德国五个不同地区的小麦茎的生物量样本(表)GydF4y2Ba
该生物质(小麦茎),用于通过慢速热解在800℃下生产生物炭的起源。GydF4y2Ba
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| 城市/地区GydF4y2Ba | 本土化GydF4y2Ba | 国家GydF4y2Ba | 大陆GydF4y2Ba | |
| 生物碳1GydF4y2Ba | Kap ArkonaGydF4y2Ba | 波美拉尼亚GydF4y2Ba | 德国,北GydF4y2Ba | 欧洲GydF4y2Ba |
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| 生物炭2GydF4y2Ba | 施马尔卡尔登GydF4y2Ba | 图林根GydF4y2Ba | 德国,中心GydF4y2Ba | 欧洲GydF4y2Ba |
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| 生物碳3GydF4y2Ba | 耶拿GydF4y2Ba | 图林根GydF4y2Ba | 德国,中心GydF4y2Ba | 欧洲GydF4y2Ba |
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| 生物碳4GydF4y2Ba | 格拉GydF4y2Ba | 图林根GydF4y2Ba | 德国,中心GydF4y2Ba | 欧洲GydF4y2Ba |
用拉曼光谱对生物碳进行了表征。所有的拉曼光谱测量都是用雷尼绍inVia拉曼光谱仪进行的。在启动光谱仪并磨合30分钟后,使用硅基准样品来控制测量的准确性。GydF4y2Ba
样品定位后,用50倍放大镜对热解生物碳的表面进行考察。如果激光在中点,可以检查精确的位置。测量设置参数为:范围100-3200 cmGydF4y2Ba-1GydF4y2Ba,曝光时间为10秒,激光功率为1%,累积50秒。每一个测量都是在一个532nm激光二极管在背散射配置进行。为了评价拉曼光谱,采用简单的双对称线拟合(D和G波段)与线性背景(基线)校正。GydF4y2Ba
第一次,生物碳增强PLA丝可用于3D打印。通过将生物碳与聚丙交酯颗粒复配制备出纤维。商业PLA级,LuminyGydF4y2Ba®GydF4y2BaLX175生物聚合物(Corbion N.V.,荷兰),被选中。该生物聚合物的力学性能列于表GydF4y2Ba
聚交酯基质的生物聚合物的典型材料性能(吕米尼LX175,N.V.,荷兰)。GydF4y2Ba
| 熔化温度GydF4y2Ba | 155℃GydF4y2Ba |
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| 玻璃化转变温度GydF4y2Ba | 55-60℃GydF4y2Ba |
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| 拉伸屈服强度GydF4y2Ba | 45兆帕GydF4y2Ba |
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| 拉伸GydF4y2Ba | max。5%GydF4y2Ba |
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| 拉伸模量GydF4y2Ba | 3500 MPaGydF4y2Ba |
3维(3D)印刷是用于产生三维几何图形的方法由于通过层或通过段技术段的层,其是基于计算机辅助设计(CAD)模型[GydF4y2Ba
增强件可以显着改变和改进聚合物复合物通过三维印刷所产生的性能。此外,沉积层厚度,液化,隔室间距和打印速度的温度也被证明影响增强复合材料的PLA的机械特性[GydF4y2Ba
在本研究中,钢筋PLA长丝用于3D印刷物通过配混与聚乳酸的生物碳产生。生物碳粉末加入到PLA在3成不同的比例(5%(体积),15%(体积),和30体积%),以产生增强的直径1.75毫米的PLA长丝(图GydF4y2Ba
长丝Stereomicroscopic图片:(A)未增强PLA,(b)中的PLA,用5%(体积)生物碳,(c)中的PLA 15%(体积)生物碳,和(d)与30%(体积)生物碳PLA。GydF4y2Ba
然后将设计数据保存为标准模板库(STL)文件用于3D打印机,并使用Simplify3D软件(Simplify3D LLC, USA)将其转换为可3D打印格式。GydF4y2Ba
对于摩擦测试,圆柱件的直径为24毫米,厚度为7.8毫米(图GydF4y2Ba
(a)中的3D印刷有不同生物碳含量为摩擦测试生物聚合物。(b)建立了摩擦学测试。GydF4y2Ba
采用德国Optimol GmbH公司的横向振动仪SRV-III对3D打印气缸的耐磨性进行了研究。3D打印圆柱体(图GydF4y2Ba
为了用CLSM确定磨损量,定义了上部和下部。三维地形图像的获取是通过物镜沿垂直轴的运动来实现的。在这个过程中,在均匀间隔的高度水平连续收集了一些二维图像。阶跃高度定义为连续两个光学切片之间的垂直距离。可手动设定,由于z轴驱动精度高,步高可小至10nm。对于较大的磨痕,采用较小的磨痕高度,磨痕的步长会很大。在本研究中,每一个磨损痕迹形貌被测量了60个步骤(切片)。每条磨损痕迹测量3次。GydF4y2Ba
生物碳通过拉曼光谱法检测。这是碳的结构变化非常敏感。石墨属于空间群GydF4y2Ba
高取向热解石墨(HOPG)的拉曼光谱表现出较好的表征GydF4y2Ba
通过拉曼光谱生物碳进行了表征。法拉利和罗伯逊[GydF4y2Ba
Matthews等人[GydF4y2Ba
所确定的平面内的微晶尺寸是2.331和2.375纳米(表之间GydF4y2Ba
拉曼光谱结果,532nm激光波长。GydF4y2Ba
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| 生物碳1GydF4y2Ba | 1345.9GydF4y2Ba | 1595.6GydF4y2Ba | 0.91GydF4y2Ba | 2.331GydF4y2Ba |
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| 生物炭2GydF4y2Ba | 1340.0GydF4y2Ba | 1596.1GydF4y2Ba | 0.89GydF4y2Ba | 2.363GydF4y2Ba |
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| 生物碳3GydF4y2Ba | 1338.0GydF4y2Ba | 1595.3GydF4y2Ba | 0.91GydF4y2Ba | 2.375GydF4y2Ba |
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| 生物碳4GydF4y2Ba | 1340.0GydF4y2Ba | 1599.0GydF4y2Ba | 0.88GydF4y2Ba | 2.375GydF4y2Ba |
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| 平均值GydF4y2Ba | 1341.0GydF4y2Ba | 1596.5GydF4y2Ba | 0.90GydF4y2Ba | 2.350GydF4y2Ba |
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| 标准偏差GydF4y2Ba | 3.4GydF4y2Ba | 1.7GydF4y2Ba | 0.02GydF4y2Ba | 0.02GydF4y2Ba |
德国不同地区小麦茎中生物碳的拉曼光谱。GydF4y2Ba
如前所述,由熔融沉积建模FDM印刷适性由生物碳的分数的影响。特别是,在高负载为30%(体积)生物碳颗粒,所使用的喷嘴堵塞不时。碳粒子通过喷嘴期间未熔融也不增塑等生物聚合物PLA。生物碳颗粒通过喷嘴在运输过程中保持常亮不变居多。GydF4y2Ba
在一定程度上,可以预计在升级的按压和改进由于在喷嘴中的热处理埋入的聚交酯基质中的粒子。扫描电子显微术给出了生物碳颗粒和聚交酯基质之间的紧密接触的证据印刷后(图GydF4y2Ba
生物碳粒子在聚交酯基质中,和PLA用30%(体积)生物碳,SEM。GydF4y2Ba
3D打印样品的表面差异很大,这取决于生物碳的比例(如图)GydF4y2Ba
聚乳酸表面经FDM技术3D打印,SEM。GydF4y2Ba
解放军的表面由FDM技术,扫描电镜三维打印后15%体积的生物碳。GydF4y2Ba
解放军的表面由FDM技术,SEM 3D印刷后的30%体积的生物碳。GydF4y2Ba
利用FDM技术、SEM等对聚乳酸无氧生物碳进行了三维打印。GydF4y2Ba
这些发现与坎儿井等人的结果一致。[GydF4y2Ba
聚交酯的无生物碳磨损表面在图中示出GydF4y2Ba
聚乳酸PLA W / O生物碳,SEM。GydF4y2Ba
聚乳酸PLA 5%体积的生物碳,SEM。GydF4y2Ba
含有30 vol.-%生物碳的聚乳酸显示磨损表面的不同外观(图)GydF4y2Ba
聚乳酸聚乳酸30 vol.-%生物碳,SEM。GydF4y2Ba
有所有样品中的裂缝具有或不具有后摩擦测试(图生物碳加强GydF4y2Ba
聚丙交酯PLA 30%(体积)生物碳:Z字形裂纹,SEM。GydF4y2Ba
在其下作用于滑动氧化铝球的法向力的影响下,生物聚合物通过周期性弯曲加载。它持续的变形能量积累过程中逐步做强。裂纹发展时的材料的可变形性在超过导致观察到的巨大大裂缝圈(图GydF4y2Ba
未增强和生物碳增强灯丝的杨氏模量是根据标准DIN EN ISO 5079:1996-02确定的。与未加筋PLA相比,加筋纤维的平均刚度增加了8%。未增强的PLA长丝的杨氏模量为1.083 GPa,而增强长丝的平均值为1.169 GPa。在这一阶段,还没有实验证明生物碳的体积分数有依赖性。然而,这可能是由于根据DIN EN ISO 5079:1996-02标准,每一种灯丝类型只需要8根灯丝进行测试所需的单根灯丝数量太少造成的。GydF4y2Ba
随着生物碳加固,试样的刚度增加。这将减少弹性变形,降低相关应力,以及增强PLA中的变形和材料疲劳,因此,在15 vol. %和30 vol.-%的生物碳试样中出现更少的圆形大裂纹。GydF4y2Ba
除了这些大的裂纹,存在具有锯齿形状更小的裂纹。这些裂缝是不是在未增强聚乳酸可观察到的,但似乎在数量增长与生物碳的体积分数。最Z字形裂纹在PLA观察到30%(体积)生物碳(图GydF4y2Ba
从共聚焦激光扫描显微镜CLSM获得磨损表面的形态。对于聚交酯的w / o生物碳,聚丙交酯,用5%(体积)生物碳,聚丙交酯与15%(体积)生物碳,和聚丙交酯与30%(体积)生物碳的CLSM图像显示在图GydF4y2Ba
(a)含生物碳的聚乳酸,(b)含5伏-%生物碳的聚乳酸,(c)含15伏-%生物碳的聚乳酸,(d)含30伏-%生物碳的聚乳酸,LSM 700 ZEISS的磨损表面。GydF4y2Ba
3D打印产生的不同聚乳酸/生物碳化合物与无碳聚乳酸的磨损量比较。GydF4y2Ba
生物碳除了正在改变陶瓷铝的滑动行为GydF4y2Ba2GydF4y2BaØGydF4y2Ba3GydF4y2Ba针对3D印刷生物聚合物球(图GydF4y2Ba
聚乳酸的摩擦系数分别为:聚乳酸与5vol . %的生物碳、聚乳酸与15vol . %的生物碳、聚乳酸与30vol . %的生物碳。GydF4y2Ba
石墨滑动试验是用陶瓷counterbodies Si一样进行GydF4y2Ba3GydF4y2BañGydF4y2Ba4GydF4y2Ba, SiC,或AlGydF4y2Ba2GydF4y2BaØGydF4y2Ba3GydF4y2BaRadhika等人的balls [GydF4y2Ba
石墨层摩擦系数在0.2左右,可达到0.01 [GydF4y2Ba
考虑到磨损痕迹的视觉外观,加强了与30%体积的生物碳节目之前提到的特殊功能解放军的磨损表面。有很多椭圆形和圆形的表面气孔由于三维印刷工艺。事实上,这样的凹坑或空隙被认为是不利的缺陷。这些凹陷内,废旧颗粒似乎积累(图GydF4y2Ba
这项工作的目的是提供关于用于3D打印的生物碳增强PLA纤维的结构和摩擦学性能的一般信息,以及使用这些纤维打印的零件。GydF4y2Ba
生物碳被成功地集成到PLA。通过SEM观察生物碳和解放军之间的良好接触。界面强度应在今后的工作中得到证明。GydF4y2Ba
使用聚乳酸(PLA)与按重量计从0体积变化的生物碳的负载水平.-%到30%(体积)的四个不同的长丝制造。GydF4y2Ba
达到在丝生物碳颗粒的均匀分布。与5体积的生物碳%生物复合材料的扁平颗粒似乎根据长丝的纵向轴线定向。这些影响可能在今后的工作中更加深入地加以探讨。GydF4y2Ba
使用FDM技术,4个样品具有标准化的几何形状(直径24mm×和7.8毫米高)印有生物碳的不同比例增强长丝。GydF4y2Ba
用30体积%碳制备的PLA样品已被证明表现出对的Al干滑动试验后的最低磨损体积GydF4y2Ba2GydF4y2BaØGydF4y2Ba3GydF4y2Ba球。有像疲劳磨损或磨损不同的磨损机理的迹象。这两种机制是由生物复合材料的材料特性由于加强的影响,主要是由刚度变化和脆化。GydF4y2Ba
虽然COF保持为高在约0.5时,摩擦值显示在加强件的情况下更小的波动。COF光滑,同质大多数解放军与30体积%的生物碳。但是,它揭示了在与喷嘴扼流3D打印最差的可生产性。GydF4y2Ba
生物碳增强聚乳酸有望在汽车工业中应用,即在绿色汽车的内部。生物碳和聚乳酸生物聚合物都可以从自然资源中获得。另一个优点是,在这种生物汽车部件的寿命结束时,第二次使用是有利的。设想在农业中作为土壤改良剂使用的减少循环。GydF4y2Ba
支持本研究结果的数据可从通讯作者处获得。GydF4y2Ba
作者宣称,他们没有利益冲突。GydF4y2Ba
作者感谢财政支持项目短打“Biogene Hochleistungskarbone”由图林根部TMWWDG,德国。研讨会“在富有成效的科学讨论GydF4y2Ba