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[硕士论文] 寇林峰
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:3D打印(增材制造)在制造业中的地位日益凸显,该工艺可以个性化定制零件和产品,省去开模成本,便于制造复杂结构。使用能源草制备FDM工艺的3D打印原料,可以降低材料的成本,提高线材的价值和打印产品的质感,具有广阔的前景。
  本文对生物质进行球磨处理,降低原料的平均粒径至0.2mm以下,使其可以顺利通过3D打印机的喷嘴,改善了生物质与PLA基料的相容效果,使玉米秸秆的熔融温度降低到113.8℃,降低了3D打印的温度,并使材料的韧性得到显著增强。经球磨处理的杂交杨木复合材料冲击强度达到了30.1×10-3MJ/m2,比未处理的对照样品提升了71%。能源草经球磨后平均粒径会更小(50μm以下),且具有良好的界面相容性和流动性。在四种能源草中,荻在制备3D打印材料中具有较大的潜力,其拉伸强度、杨氏模量和冲击强度分别为23.1MPa、652.9MPa、38.67×10-3MJ/m2。
  为探究生物质预处理对复合材料性能的影响,本文将三种不同预处理后的荻用作复合材料的制备,发现酸处理后半纤维素仅剩1.49%,碱-H2O2处理后木质素含量仅为6.13%,蒸汽爆破会对纤维素和半纤维素产生水解作用。实验发现半纤维素的减少会提升材料的拉伸强度和杨氏模量、木质素的降低会使材料的弯曲强度和弯曲模量增加。酸处理可使荻复合材料的拉伸强度和冲击强度分别提升16.5%和4.1%,是一种较好的预处理方式。通过将酸处理的荻复合材料与几种木质纤维线材的力学强度进行对比发现,荻复合材料的界面相容性更好,该材料在拉伸性能和弯曲性能上与木质纤维素线材相比较差,但冲击强度比PLA线材提高了25%,达到40×10-3MJ/m2,解决了木质纤维素复合材料过脆的问题。
  最后,为实现能源草各组分高值化利用,本文用NaOH对荻木质素进行了提取,并分别将分离出的碱木质素和木质素磺酸钠进行分析,仅利用木质素制备3D打印材料。实验发现分离出的木质素属于HGS型木质素,分子量集中在5×104-1.5×105之间,而木质素磺酸钠属于GS型,分子量较小。热重分析显示两种木质素在200℃以下均不会大量分解。荻木质素复合材料的刚性较强,杨氏模量和弯曲模量分别为901.2MPa、1465.7MPa,其冲击强度与几种木质纤维素线材(WP1、WP2、WP3)的冲击强度相近。说明荻木质素复合材料具有一定的作为3D材料的潜力。而木质素磺酸钠所制得的材料较脆,力学强度差,不适宜用作3D打印。将酸处理后的荻复合材料与碱木质素复合材料进行熔融沉积实验,发现前者的最佳成型温度为170℃,后者的最佳成型温度为150℃。
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