3D打印用茶梗纖維/聚乳酸復(fù)合材料的制備、性能及應(yīng)用

熊 偉， 張?zhí)K婉， 盧 嵩， 孫亞男

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400；2.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

茶梗，是茶葉加工過程中產(chǎn)生的一類副產(chǎn)物，約占茶葉質(zhì)量的25%(廣義的也可以增加茶樹修剪枝條)，其成分與茶葉類似，主要含有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等，是一種潛在的生物質(zhì)原料。國內(nèi)外對茶葉剩余物資源利用的研究，主要集中在吸附劑、有機(jī)堆肥、菌類栽培、粘土磚以及功能成分提取等方面[1]。

國內(nèi)有研究者將聚乳酸(PLA)與茶多酚(TPP)利用靜電紡絲技術(shù)復(fù)合納米纖維膜，研究其在紡織材料中的運(yùn)用價值[2]；近年來，3D打印線材方興未艾，通過添加木質(zhì)纖維素材料與熱塑性塑料(PLA)共混并擠出復(fù)合細(xì)絲用于熔融沉積3D打印，是木質(zhì)纖維素材料在增材制造中的一個發(fā)展方向。將木材、竹子、黃麻、農(nóng)作物廢料等生物質(zhì)材料磨粉后再與PLA混合，并使用雙螺旋擠壓機(jī)擠出復(fù)合細(xì)絲是常用的方法[3-8]，本研究將茶梗纖維(各尺度級)與聚乳酸利用擠出工藝形成復(fù)合細(xì)絲，并嘗試在3D打印的應(yīng)用。

1 茶梗纖維/聚乳酸復(fù)合材料的制備

1.1 試驗(yàn)材料

茶梗纖維TSF(江蘇省句容市茗苑茶廠，葉梗比例為3∶7)；聚乳酸PLA 4032D(廣東省東莞市順捷塑料科技有限公司，350目粉末)；馬來酸酐接枝聚乳酸PLA-g-MAH(廣東省東莞市佳成塑料原料有限公司)；增韌劑(廣東省東莞市順捷塑料科技有限公司，顆粒)；硬脂酸(天津博迪化工股份有限公司，分析純)。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

單螺旋擠出機(jī)(深圳東莞市松湖塑料機(jī)械設(shè)備股份有限公司)；真空干燥箱DZF-6020(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；試驗(yàn)設(shè)備用微型注塑機(jī)WSZ10D(上海新碩精密機(jī)械有限公司)；電子力學(xué)試驗(yàn)機(jī)CMT4204(深圳三思縱橫科技股份有限公司)；邵氏硬度計(jì)LX-D(南京蘇測計(jì)量儀器有限公司)；掃描電子顯微鏡Quanta200(荷蘭FEI公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 復(fù)合材料試樣制備

茶梗自然風(fēng)干后機(jī)械攪拌磨粉，并用分樣篩取出60目茶梗纖維，將茶梗纖維(TSF)與聚乳酸(PLA)按0∶10、1∶9、2∶8、3∶7干法混合，為解決 TSF易焦化、PLA脆性及增強(qiáng)結(jié)晶度，另添加3%、3%、6%的增韌劑、硬脂酸和PLA-g-MAH，制備4種試樣，TSF/PLA混合配比見表1。

表1 TSF/PLA混合配比表

將混合試樣置入真空干燥箱進(jìn)行80 ℃干燥6 h，自然冷卻后取出。單螺旋擠出實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)置為混合材料進(jìn)料速度10 g/min，螺桿轉(zhuǎn)速30 r/min，料筒1區(qū)、2區(qū)溫度分別為155 ℃、120 ℃，模具區(qū)溫度80 ℃，熔融擠出制成TSF/PLA復(fù)合材料顆粒，冷卻真空干燥24 h[9-11]，單螺旋擠出機(jī)各段設(shè)置見表2。

表2 單螺旋擠出機(jī)各段設(shè)置

1.3.2 復(fù)合材料測試試件制作

參照ASTM D638-2003標(biāo)準(zhǔn)，對TSF/PLA復(fù)合材料顆粒以進(jìn)氣壓力0.7 MPa，料筒溫度155 ℃，模具溫度70 ℃，保壓工作時間10 s，注射成型拉伸試驗(yàn)試件，每種樣品制作5個試件，因茶梗纖維高溫炭化，TSF/PLA復(fù)合材料呈黑褐色，4種擠出試件如圖1所示。

圖1 4種擠出試件圖

2 茶梗纖維/聚乳酸復(fù)合材料材性分析

2.1 材性測試內(nèi)容

2.1.1 基本性質(zhì)測試

采用質(zhì)量體積法對4種樣品進(jìn)行密度測定；進(jìn)行12 h、24 h、36 h、48 h的吸水性能對比測試。

2.1.2 界面結(jié)構(gòu)觀察

采用SEM-EDS對樣品斷面材料界面形貌進(jìn)行觀察。

2.1.3 復(fù)合材料力學(xué)性能測試

采用電子力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，加載拉力為5 mm/min，每種樣品做5次拉伸強(qiáng)度測試，取其均值；用邵氏強(qiáng)度計(jì)測試各樣品硬度，各取5次數(shù)據(jù)，取其均值。

2.2 復(fù)合材料性能分析

2.2.1 TSF添加量對復(fù)合材料密度的影響

TSF/PLA密度測定值見表3，隨著茶梗纖維比例的增加，復(fù)合材料密度有所下降，但幅度不大，這與PLA密度較低、且茶梗纖維含量較低有關(guān)。

表3 TSF/PLA密度測定值

2.2.2 TSF添加量對于復(fù)合材料吸水性能的影響

采用間隔12 h測量，在48 h內(nèi)通過前后兩次吸水量之差，形成試件吸水量對比。TSF/PLA 吸水能力如圖2所示，隨著TSF含量的增加，復(fù)合材料的吸水率逐漸提高，A0試件48 h時的吸水量為0.003 g，吸水率為0.40%，而相應(yīng)的A3試件吸水量為0.013 g，吸水率為1.73%。其原因?yàn)椴枥w維吸水率較大，但受PLA熔融包覆影響，已大幅度降低了吸水能力。從吸水能力來看，進(jìn)入36 h后，吸水量趨于飽和。

圖2 TSF/PLA 吸水能力分析圖

2.2.3 復(fù)合材料結(jié)合界面分析

不同元素含量的TSF/PLA復(fù)合材料的斷面形貌SEM圖如圖3所示。圖3(a)顯示為純PLA的斷面形貌，較為平滑；圖3(b)、圖3(c)分別顯示為A1(10%TSF)、A2(20%TSF)的斷面形貌，可知茶梗纖維的成團(tuán)包覆明顯，與PLA結(jié)合界面不夠緊密；圖3(d)明顯可以看出TSF與PLA熔融過程中，出現(xiàn)大量的“氣穴”現(xiàn)象，這與TSF和PLA結(jié)晶度不夠、在高溫熔融狀態(tài)下形成的空隙有關(guān)。

圖3 TSF/PLA復(fù)合材料的斷面形貌SEM圖

2.2.4 復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

TSF含量對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和硬度的影響如圖4所示，由圖4(a)可知，純PLA試件的拉伸強(qiáng)度最大為25.22 MPa，隨著TSF含量的增加，試件的拉伸強(qiáng)度逐漸地下降，這主要是因?yàn)橐环矫婕尤隩SF降低了試件中的TSF/PLA復(fù)合材料的結(jié)晶度，從而嚴(yán)重影響了試件的拉伸強(qiáng)度[10]；另一方面TSF含量的升高使其與PLA共混效果變差，產(chǎn)生微觀孔隙，造成了試件缺陷[11]。添加30%TSF的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比純PLA降低5.71%。由圖4(b)可知，純PLA試件的硬度為72.7 HB，隨著TSF含量的增加，試件硬度數(shù)值呈下降趨勢，這主要是由于復(fù)合材料中添加了一定的增韌劑，且因茶梗纖維分散度不均勻，造成硬度數(shù)值出現(xiàn)波動。

圖4 TSF含量對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和硬度的影響

3 3D打印應(yīng)用

通過對TSF/PLA復(fù)合材料的擠出線材進(jìn)行直徑調(diào)整(1.75 mm)，形成連續(xù)的線材備用，擠出線材如圖5所示。同時進(jìn)行家具構(gòu)件圖案設(shè)計(jì)，利用3D打印機(jī)進(jìn)行家具構(gòu)件打印，嘗試TSF/PLA復(fù)合材料被應(yīng)用在3D打印的可行性。

圖5 擠出線材

3.1 3D打印紋樣設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的手工工藝相比，3D打印增強(qiáng)了圖案紋樣的個性化設(shè)計(jì)，減輕人工操作強(qiáng)度，減少了傳統(tǒng)工藝的繁雜工序，大大減少人力資源的浪費(fèi)，提高工作效率，越是繁復(fù)的花紋，用3D打印出來就越是精美。已經(jīng)設(shè)計(jì)好的“椅背裝飾花紋”如圖6所示。椅背裝飾花紋。該紋飾既使器物具有實(shí)用性，又具觀賞性，可以提高家具的文化品位，在視覺上具有沖擊效果。

圖6 紋樣三視圖

3.2 紋樣打印過程

選用Tink Box3D打印機(jī)對設(shè)計(jì)圖案紋樣進(jìn)行打印。其過程如圖7所示，圖7(a)為載入3D模型；圖7(b)設(shè)置切片參數(shù)、生成.stl格式；圖7(d)通過調(diào)整復(fù)合材料線型直徑為1.75 mm，使用TSF/PLA復(fù)合材料打印作品時溫度控制區(qū)間在190 ℃～220 ℃之間，打印速度為80～100 mm/s，開始3D打印、打印成品，剝離多余部分。

圖7 3D打印過程

4 小結(jié)

通過復(fù)合材料的制備、性能測試、3D打印運(yùn)用測試，形成如下結(jié)論：

(1)茶梗纖維(TSF)/聚乳酸(PLA)復(fù)合材料性能較為穩(wěn)定。與純PLA相比，TSF高溫炭化使復(fù)合材料呈黑褐色；隨TSF含量的增加，密度適當(dāng)減小，吸附性能提升。

(2)隨TSF含量的增加，TSF/PLA復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度逐漸降低，硬度也隨之有下降趨勢。主要是兩種材料熔融混合結(jié)晶度不高，且有“氣穴”現(xiàn)象的原因。

(3)通過進(jìn)一步研究增強(qiáng)TSF/PLA的相容性，提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，作為具有良好吸附性、降解特性的茶梗纖維(TSF)可以與聚乳酸(PLA)復(fù)合應(yīng)用于3D打印材料，拓寬茶梗纖維的應(yīng)用市場。

(4)通過3D打印家具構(gòu)件應(yīng)用測試，可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的新型生物質(zhì)復(fù)合材料在家具特殊連接或結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。