基于聚乳酸的3D打印水處理反應(yīng)器設(shè)計與吸附性能研究

摘 要：【目的】研究打印層厚、打印速度、打印溫度和填充密度對聚乳酸（PLA）試件拉伸強(qiáng)度的影響，以及基于聚乳酸的3D打印水處理反應(yīng)器的吸水率及對亞甲基藍(lán)的吸附能力?！痉椒ā坷肬G三維建模軟件，設(shè)計出打印力學(xué)試件的三維模型，采用正交試驗進(jìn)行打印，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。以最優(yōu)打印參數(shù)打印得到PLA鏤空立方體材料（水處理反應(yīng)器），測試其吸水率及對亞甲基藍(lán)去除率。【結(jié)果】測試結(jié)果表明，當(dāng)打印分層厚度為0.3 mm、打印速度為70 mm /s、打印溫度為210 ℃、填充密度為40%時，試件具有最優(yōu)的拉伸強(qiáng)度。以最優(yōu)打印參數(shù)打印得到PLA鏤空立方體材料（水處理反應(yīng)器）的吸水率為12.79%，亞甲基藍(lán)去除率為76.10%?！窘Y(jié)論】由3D打印得到的鏤空PLA水處理反應(yīng)器對亞甲基藍(lán)具有較強(qiáng)的吸附能力，在污染水處理領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：3D打??；聚乳酸；亞甲基藍(lán)；吸附

中圖分類號：O69" " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號：1003-5168（2024）10-0084-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.017

Design and Adsorption Performance Study of 3D Printing Water Treatment Reactor Based on Polylactic Acid

WANG Yun LI Chunxing HUANG Shiyu LI Zhijie WANG Mingqiang HU Xiaoxi

（Guangdong Songshan Polytechnic，Shaoguan 512126，China）

Abstract： [Purposes] The influence of layer thickness， printing speed， printing temperature， and infill density on the tensile strength of polylactic acid （PLA） specimens was investigated. The water absorption and methylene blue adsorption of the 3D printing water treatment reactor based on PLA were studied. [Methods] Utilizing UG three-dimensional modeling software， a three-dimensional model for printing mechanical test specimens was designed. The orthogonal test was used to print and analyze the data. The PLA hollow cube material （water treatment reactor） was printed with optimal printing parameters to test water absorption and methylene blue removal. [Findings] The results indicated that optimal tensile strength was achieved when the printing layer thickness was 0.3 mm， printing speed was 70 mm/s， printing temperature was 210 °C， and infill density was 40%. The study revealed that the water absorption rate of this PLA water treatment reactor is 12.79%， with a methylene blue removal rate of 76.10%. [Conclusions] This suggests that the hollow PLA water treatment reactor obtained through 3D printing possesses significant adsorption capability for methylene blue， indicating substantial potential for application in the field of contaminated water treatment.

Keywords： 3D Printing; polylactic acid; methylene blue; adsorption

0 引言

3D打印，也稱增材制造，是一種利用數(shù)字模型文件通過逐層堆積材料來構(gòu)造三維對象的技術(shù)。其具有靈活性高、可設(shè)計性高和效率高等特點，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括醫(yī)療、航空航天、汽車工業(yè)和環(huán)境科學(xué)等［1-2］。在3D打印過程中，成形件的精度、強(qiáng)度和質(zhì)量會受到打印層厚、速度、溫度等因素的影響，可通過調(diào)整不同的打印條件并測試試件的力學(xué)性能來獲得最佳的3D打印參數(shù)［3］。在眾多可用于3D打印的材料中，常用的一種是聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）。聚乳酸是一種生物降解性的聚合物，由可再生資源（如玉米、淀粉或蔗糖等）制成［4-5］。聚乳酸材料具有諸多優(yōu)點，如良好的生物相容性、拉伸性、可加工性、回彈性和機(jī)械性能，是3D打印的理想材料［6-7］。此外，聚乳酸可用于制備具有良好吸附性能的污水處理器，使其有效吸附工業(yè)廢水中的有害物質(zhì)，如亞甲基藍(lán)有機(jī)染料、重金屬離子等。然而，已有的基于聚乳酸材料制備的水處理吸附器仍存在吸附效率較低等問題［8-11］。當(dāng)前，關(guān)于利用3D打印技術(shù)設(shè)計PLA污水處理器的研究較少，因此，有必要開發(fā)一種高效的基于聚乳酸的3D打印水處理反應(yīng)器。

本研究利用聚乳酸作為3D打印線材，首先探究得到最佳的3D打印條件；其次將PLA打印為鏤空立方體模型，作為一種高效的吸附亞甲基藍(lán)水處理反應(yīng)器；最后深入研究PLA 3D打印水處理反應(yīng)器的吸水性能和對水中亞甲基藍(lán)的吸附能力，以評估其在實際工業(yè)污水處理中的應(yīng)用潛力。

1 試驗部分

1.1 原料和儀器

柔性PLA絲材： 直徑為1.75 mm，珠海天威泛凌貿(mào)易有限公司。亞甲基藍(lán)（分析純），上海阿拉丁生化科技有限公司。3D打印機(jī)：型號RAISE3D，珠海天威控股有限公司。萬能材料試驗機(jī)：型號INSTＲON3365，美國英斯特朗公司。

1.2 PLA拉伸試樣的設(shè)計及拉伸性能測試

以PLA材料3D打印得到的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣條，在萬能試驗機(jī)的拉伸作用下，斷裂時所測得到的最大拉伸應(yīng)力即為PLA試樣的拉伸強(qiáng)度。最大拉伸強(qiáng)度的試樣條所對應(yīng)的3D打印條件可確定為最佳打印條件。使用UG軟件設(shè)計簡易拉伸試樣模型，其尺寸為150 mm×20 mm×4 mm（如圖1所示）。根據(jù)確定的拉伸試樣基本尺寸，并轉(zhuǎn)為STL格式，用3D打印機(jī)自帶的切片軟件進(jìn)行切片處理，將其轉(zhuǎn)換為3D打印機(jī)可以識別的格式，導(dǎo)入3D打印機(jī)。采用熔融沉積打印技術(shù)，把柔性PLA絲材放至3D打印機(jī)中，設(shè)置3D打印溫度范圍為200～220 ℃，分層厚度為0.2～0.3 mm，打印速度為70～80 mm/s，填充密度在20%～40%之間。按照《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》（GB/T 1040.2—2006），將打印得到的條形試樣放入萬能試驗機(jī)，進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，拉伸速度為2 mm /min。

以分層厚度（A）、打印速度（B）、打印溫度（C）和填充密度（D）按照4因素3水平的正交試驗方法進(jìn)行設(shè)定，正交試驗設(shè)計因素見表1。采用3D打印機(jī)打印得到9組PLA拉伸試樣，每組3個平行試樣（如圖2所示）。并采用萬能試驗機(jī)測量每組試樣的拉伸強(qiáng)度值。

1.3 PLA鏤空立方體模型的設(shè)計及其吸附測試

用UG軟件設(shè)計出PLA鏤空立方體水處理反應(yīng)器模型（20 mm×20 mm×20 mm）如圖3所示，PLA鏤空立方體3D打印模型的切面如圖4所示。在鏤空立方體模型的內(nèi)部存在許多方形的空洞。采用最佳打印參數(shù)打印出PLA鏤空立方體模型，并測試其吸水性及亞甲基藍(lán)吸附能力。

將鏤空立方體PLA水處理反應(yīng)器放入50 ℃干燥箱中干燥24 h，冷卻至室溫后，稱量其重量。然后將PLA水處理反應(yīng)器放入蒸餾水中，浸泡吸水24 h后取出，稱量其重量。根據(jù)式（1）計算得到PLA 3D打印水處理反應(yīng)器的吸水率。

w=[m2-m1m1]×100%" （1）

式中：w為吸水率；m1為試樣吸水前的重量；m2為試樣吸水后的重量。

配置質(zhì)量濃度分別為1、2、4、8、10、20 mg/L的20 mL亞甲基藍(lán)溶液，用紫外分光光度計測量在波長為664 nm處的吸光度。根據(jù)亞甲基藍(lán)溶液的濃度和測試得到的吸光度值，進(jìn)行origin繪圖，線性擬合即可得到亞甲基藍(lán)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖5所示。

將鏤空的PLA 3D打印水處理反應(yīng)器放入100 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液中，吸附24 h后取出，測試其吸光度。由亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算得到稀釋后的亞甲基藍(lán)濃度。根據(jù)式（2）計算得到PLA 3D打印水處理反應(yīng)器對亞甲基藍(lán)的去除率。

R=[C0-C1C0]" （2）

式中：R為亞甲基藍(lán)的去除率；C0為亞甲基藍(lán)的初始濃度；C1為PLA吸附器吸附24 h后剩余亞甲基藍(lán)的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 3D打印工藝參數(shù)對PLA試件拉伸強(qiáng)度的影響

3D打印工藝參數(shù)對PLA試件拉伸強(qiáng)度的影響見表2。通過正交試驗極差結(jié)果分析（見表3），得到最佳工藝方案為A3、B1、C2、D3，即最佳的3D打印參數(shù)是：分層厚度為0.3 mm，打印速度為70 mm/s，打印溫度210 ℃，填充密度為40%。

試驗結(jié)果也表明，分層厚度（A）對3D打印PLA試件的拉伸強(qiáng)度影響最大。分層厚度直接關(guān)系到打印試樣每一層的精細(xì)程度，較小的分層厚度可以提高打印物體表面的光滑度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)，從而提高拉伸強(qiáng)度。更細(xì)小的層高通常能夠提供更好的層間黏合度，增加試件的整體強(qiáng)度。

填充密度（D）對試樣的力學(xué)性能影響程度次之。填充密度指的是3D打印物體內(nèi)部的充填程度。較高的填充密度可以增加物體的密度和強(qiáng)度，但也會增加打印時間和材料的使用。適度的填充密度可以提供更好的強(qiáng)度，過高的填充密度可能會導(dǎo)致試件過重和成本過高。

打印速度（B）對試件的力學(xué)性能影響程度居于第三位。打印速度影響著打印過程中每一層的冷卻時間和材料沉積速度。較高的打印速度可能導(dǎo)致層間黏合不足，從而影響拉伸強(qiáng)度。因此，適度的打印速度是保證質(zhì)量的關(guān)鍵。

打印溫度（C）對試件的力學(xué)性能影響最小。PLA是一種相對容易打印的材料，其熔融溫度較低，一般在190～220 ℃之間。在適當(dāng)?shù)拇蛴囟认?，PLA能夠良好地黏附并形成均勻的層。在推薦溫度范圍內(nèi)，溫度的微小變化可能對力學(xué)性能的影響相對較小，因此溫度對試樣的性能影響最小。

2.2 PLA 3D打印水處理反應(yīng)器的吸水性能研究

以PLA為打印材料，設(shè)置3D打印機(jī)的參數(shù)：打印層厚為0.3 mm，打印速度為70 mm/s，打印溫度為210 ℃，填充密度為40%，打印得到鏤空的PLA 3D打印水處理反應(yīng)器。稱量得到干燥的PLA反應(yīng)器的重量為6.387 4 g，水中浸泡24 h后稱量得其重量為7.204 2 g，根據(jù)式（1）計算得到PLA 3D打印水處理反應(yīng)器的吸水率為12.79%。說明此PLA 3D打印水處理器具有吸水性能。這是因為3D打印材料聚乳酸分子中含有親水性的羧基等基團(tuán)。

2.3 PLA 3D打印水處理反應(yīng)器對亞甲基藍(lán)的吸附性

將鏤空的PLA 3D打印水處理反應(yīng)器放入100 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液中，吸附24 h后取出，將剩余亞甲基藍(lán)溶液稀釋1倍，測得其吸光度為2.069，由亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程（如圖4所示）計算得到稀釋后的亞甲基藍(lán)濃度為11.951 mg/L，因此剩余的亞甲基藍(lán)溶液濃度為23.902 mg/L。由式（2）計算得到PLA 3D打印水處理反應(yīng)器對亞甲基藍(lán)的去除率為76.10%，說明由3D打印得到的鏤空的PLA 3D打印水處理反應(yīng)器對亞甲基藍(lán)具有較強(qiáng)的吸附能力（如圖6所示）。

PLA水處理反應(yīng)器具有較高的亞甲基藍(lán)去除率，是因為PLA分子結(jié)構(gòu)中包含有羥基（-OH）羧基（-COOH）等官能團(tuán)，這些官能團(tuán)使聚乳酸表面具有親水性，有利于與水中的亞甲基藍(lán)分子發(fā)生相互作用［12］。運用3D打印制造得到的PLA 3D打印水處理反應(yīng)器表面呈現(xiàn)出復(fù)雜的鏤空結(jié)構(gòu)，增加了內(nèi)表面積，提高了亞甲基藍(lán)與反應(yīng)器之間的接觸面積。這種多孔鏤空結(jié)構(gòu)為亞甲基藍(lán)分子提供了更多的吸附位點，有助于在反應(yīng)器表面上形成更強(qiáng)的吸附作用。此外，聚乳酸本身具有一定的負(fù)電性，而亞甲基藍(lán)通常帶有正電荷。這種正負(fù)電荷之間的電荷相互吸引力也有助于亞甲基藍(lán)分子在PLA 3D打印水處理反應(yīng)器表面上的吸附。

3 結(jié)論

本研究利用3D打印技術(shù)，以聚乳酸作為線材，打印得到PLA試件，研究得到最佳的打印參數(shù)：分層厚度為0.3 mm，打印速度為70 mm /s，打印溫度為 210 ℃，填充密度為40%。以最優(yōu)打印參數(shù)打印得到的PLA水處理反應(yīng)器吸水率為12.79%，其對亞甲基藍(lán)吸附率為76.10%，說明由3D打印得到的鏤空PLA水處理反應(yīng)器對亞甲基藍(lán)具有較強(qiáng)的吸附能力，有望設(shè)計成為高效的亞甲基藍(lán)污水處理器，在污染水處理領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

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（欄目編輯：陳萌萌）