3D打印機(jī)尾氣凈化技術(shù)及裝置開發(fā)

鄭軒宇 何梓萱 王 晟 李宇航

（南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211167）

3D打印技術(shù)是一種不同于減材制造的成型技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、航空航天和建筑等領(lǐng)域[1]。以塑料或樹脂為打印線材的3D打印機(jī)[2]，在工作時會產(chǎn)生大量有毒尾氣。尾氣的主要成分為揮發(fā)性有機(jī)化合物，包括醛類、烷烴、芳烴或酮類等物質(zhì)，難以處理且危害極大[3]。吳媛總結(jié)了治理揮發(fā)性有機(jī)化合物的4種方法，即冷凝法、光催化技術(shù)、吸附法和生物處理法[4]。謝凡等人提出了紫外線降解、HEPA過濾的3D打印機(jī)尾氣處理方式[5]。BRENT等人測量了桌面級3D打印機(jī)的超微顆粒排放濃度[6]。REID評估了3D打印對環(huán)境的影響[7]。TIM等人分析了3D打印對空氣質(zhì)量的影響[8]。本文研究的熱活化氧化物半導(dǎo)體凈化技術(shù)及凈化裝置可有效凈化3D打印機(jī)在工作過程中產(chǎn)生的尾氣。

1 凈化技術(shù)及原理

1.1 熱活化氧化物半導(dǎo)體凈化技術(shù)

針對3D打印機(jī)在工作進(jìn)程中產(chǎn)生的尾氣對環(huán)境及人體產(chǎn)生危害的問題，提出了將氧化物半導(dǎo)體涂層負(fù)載在以堇青石為材質(zhì)的蜂窩載體表面，在高溫環(huán)境下（350～500 ℃）熱激發(fā)的氧化物半導(dǎo)體涂層具有氧化分解效應(yīng)，可有效分解有毒煙霧，實現(xiàn)尾氣凈化效果。

1.2 技術(shù)原理

粉末狀的氧化物半導(dǎo)體（TiO2、Cr2O3等）具有熱活性，在熱激發(fā)條件下（350～500 ℃）會失去電子產(chǎn)生大量空穴。空穴會捕捉揮發(fā)性有機(jī)化合物分子鏈中共價鍵的電子，致使揮發(fā)性有機(jī)化合物分子鏈?zhǔn)ル娮佣兊貌环€(wěn)定，使分子鏈斷裂形成低分子量單體，其進(jìn)一步與O2發(fā)生燃燒反應(yīng)，最終產(chǎn)生CO2和H2O，如圖1所示。

圖1 技術(shù)原理

2 裝置結(jié)構(gòu)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計3D打印機(jī)有毒尾氣處理裝置需能夠收集、加熱、凈化、檢測和排放有毒氣體。本裝置由4個單元組成，分別為打印機(jī)工作單元、預(yù)熱單元、凈化單元和氣體排放單元[9-10]。整體裝置如圖2所示。

2.2 打印機(jī)工作單元

打印機(jī)工作單元由鋁型材與亞克力板構(gòu)成密閉的工作區(qū)域，用于放置3D打印機(jī)。鋁型材和亞克力板之間采用有機(jī)硅密封膠進(jìn)行密封處理，右側(cè)亞克力板開有圓形通道，與凈化單元相連接，用于氣體的流入，如圖3所示。

圖3 打印機(jī)工作單元

2.3 預(yù)熱單元

預(yù)熱單元一端與打印機(jī)工作單元相連接，另一端與凈化單元連接，通過內(nèi)置的電熱管和外圈陶瓷加熱管預(yù)熱有毒煙霧，使氣體進(jìn)入凈化反應(yīng)裝置時溫度初步達(dá)到反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)凈化的效率，如圖4所示。

圖4 預(yù)熱單元

2.4 凈化單元

凈化單元由覆載了氧化物半導(dǎo)體的蜂窩載體（如圖5所示）和三層保溫倉構(gòu)成，如圖6所示。蜂窩載體分三層放置，氣體通道呈“S”形，以實現(xiàn)多層級分梯度凈化，有效提高凈化效率。凈化單元采用熱輻射板加熱，凈化過程中反應(yīng)倉溫度需長時間保持在350～500 ℃，要有良好的保溫效能。保溫倉采用了三層設(shè)計，最內(nèi)層采用304不銹鋼。304不銹鋼易于加工且韌性極佳，常用于保溫，同時耐高溫800 ℃，滿足裝置設(shè)計要求。中間層采用二氧化硅納米氣凝膠氈。納米氣凝膠氈是固體中導(dǎo)熱系數(shù)極低的物質(zhì)，無機(jī)環(huán)保且易于加工，耐高溫650 ℃，且0.018 W·m-1·K-1的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于一般的保溫材料，滿足裝置設(shè)計要求。最外層采用高強(qiáng)度的硬鋁合金，能有效保護(hù)內(nèi)部反應(yīng)空腔。

圖5 覆載了氧化物半導(dǎo)體的蜂窩載體

圖6 凈化單元

2.5 氣體排放單元

氣體排放單元由抽氣泵與CO2處理管道組成，如圖7所示。真空泵一端與凈化單元連接，另一端與CO2處理管道連接，可將有毒煙霧通過負(fù)壓吸入凈化單元，并將反應(yīng)后的氣體輸送至CO2處理管道。CO2處理管道可吸收凈化后氣體中的CO2，并將無害氣體排放至大氣。

圖7 氣體排放單元

2.6 實物模型

根據(jù)三維機(jī)構(gòu)設(shè)計，制造了覆載有氧化物半導(dǎo)體的蜂窩載體，并搭建了3D打印機(jī)有毒尾氣凈化裝置的實物模型。覆載有氧化物半導(dǎo)體的蜂窩載體如圖8所示，實物如圖9所示。

圖9 實物模型

3 裝置測試

3.1 測試條件

采用3D打印機(jī)有毒尾氣凈化裝置、比例-積分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）光離子探頭（0～2 000 mg·L-1）、極光爾沃A3S桌面級3D打印機(jī)和PLA線材。

測試時，開啟電源，使預(yù)熱單元和加熱板工作，啟動3D打印機(jī)，線材選用PLA材料，打印樣件，使3D打印機(jī)產(chǎn)生氣體。當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds，VOC）傳感器返回2 000 mg·L-1時，抽氣單元工作，使有毒氣體經(jīng)過預(yù)熱單元預(yù)熱，再經(jīng)過凈化單元凈化。此時關(guān)閉3D打印機(jī)，收集VOC傳感器在1 min、2 min、4 min、6 min、8 min以及10 min時的返回值。

3.2 測試結(jié)果

分別收集VOC傳感器在1 min、2 min、4 min、6 min、8 min以及10 min時的返回值，結(jié)果如表1和圖10所示。

表1 檢測結(jié)果數(shù)據(jù)表

圖10 VOC傳感器返回值曲線圖

計算VOC氣體的實際分解率為

計算結(jié)果表明，VOC氣體的實際分解率超98%，裝置可有效凈化以塑料或樹脂為材料的3D打印機(jī)工作時產(chǎn)生的有毒尾氣。

4 結(jié)語

本文提出了一種熱活化氧化物半導(dǎo)體凈化技術(shù)，設(shè)計并制造了基于該技術(shù)的3D打印機(jī)有毒尾氣凈化裝置，可高效凈化以塑料或樹脂為線材的3D打印機(jī)產(chǎn)生的有毒尾氣。在不改變加熱方式與功耗的情況下，采用多層次分梯度設(shè)計和“S”形加熱法，提高了熱量的利用率，增強(qiáng)了凈化效果，有效減少了理論層面的能量耗散。