正交试验法对3D打印用杨木粉-马来酸酐接枝弹性体共混改性PLA线材工艺优化的应用

戴旭阳 陈峰 杨雪 李文杰 杨煜

摘要：  以杨木粉、聚乳酸（PLA）颗粒和马来酸酐接枝聚烯烃热塑弹性体为原料，采用正交试验法对杨木粉-弹性体共混改性PLA线材的挤出工艺进行优化。以杨木粉粒径、木粉含量、挤出温度、挤出速度为自变量影响因子，以最大弯曲应力、弹性模量、拉伸断裂强度和断裂伸长率为考察对象，考察工艺条件对3D打印用杨木粉和POE-g-MAH共混改性PLA复合材料力学性能的影响，从而确定最优工艺条件为：杨木粉的粒径为200目、杨木粉的含量为10%、拉丝温度为150 ℃、拉丝速度40 r/min，经过单因素试验验证，正交试验直观分析与单因素试验结果趋势一致。表明正交试验分析可用于杨木粉-弹性体共混改性PLA线材工艺的优化。

关键词：  正交试验法;  木粉;  聚乳酸;  马来酸酐接枝聚烯烃热塑弹性体;  最优配比

中图分类号：   S 781. 23               文獻标识码：   A                文章编号：1001 - 9499（2021）06 - 0044 - 05

聚乳酸（PLA）是来源于可再生的聚合物材料，是广泛运用的生物质材料[ 1 ]。PLA像大部分热塑性塑料一样可以拉成丝状，其表面易于印刷，因此PLA可广泛作为3D打印材料[ 2 - 5 ]，但PLA具有韧性差、耐热性差等缺点，这是目前亟待解决的问题[ 6 - 7 ]。

木粉作为天然原料、增强材料被广泛应用到PLA的改性中，有学者对80～120目木粉应用在线材工艺优化进行了研究，并取得了重大进步[ 8 - 10 ]，但仍存在木粉在PLA分散不均匀等问题，也未见到更细的木粉粉体应用到3D打印材料的研究中。另外，经项目组前期的市场调研发现，市场上木质粉体-PLA线材在3D打印过程中，由于温度过高出现碳化损坏喷头现象。因此，本研究针对以上问题，选用脉冲-旋流气流干燥杨木粉提高木粉的分散度，以马来酸酐接枝聚烯烃热塑弹性体（POE-g-GMA）为相容剂，采用正交试验法优化杨木粉-PLA线材的挤出工艺，探索工艺条件在3D线材复合材料制备的适应性和可靠性。

1 材料与仪器

1. 1 材 料

聚乳酸颗粒（PLA，东莞市凯西利塑料有限公司），熔流率（ 240 ℃，以 2.16 kg 计） 为7.0 g/10 min，密度1.27 g/cm3，;马来酸酐接枝聚烯烃热塑弹性体（POE-g-MAH，AMPLIFY GR216，美国陶氏化学公司），熔流率（ 190 ℃，以 2.16 kg 计） 为1.25 g/10 min，比重0.875 g/cm3;润滑剂 （TPW604，美国Struktol公司）。杨木木粉，100～300目，购自灵寿县百丰矿产品加工厂，初含水率9.2%。

1. 2 仪 器

鼓风干燥箱（101-1S，浙江力辰仪器科技有限公司）;脉冲-旋流气流干燥机（MQG-50，江苏健达干燥工程有限公司）;万能力学实验机（WDW- 20，长春科新实验仪器有限公司）;自然堆积密度计（XF-16913，湖南力辰仪器科技有限公司）;含水率测定仪（MB23，奥豪斯仪器（上海）有限公司）;单螺杆FDM线材挤出机（苏州融杰辉智能科技有限公司）;FDM 3D打印机（3DP-150，渭南鼎信创新智造科技有限公司）。

2 方法与结果

2. 1 样品预处理

杨木木粉通过筛网筛分获得100目-、200目-、300目-木粉，经鼓风干燥箱103±2 ℃干燥使其含水率为5.3%±0.2%，再经过脉冲-旋流气流干燥机进行二次干燥，获得终含水率为2.8%±0.2%，干燥条件为进风温度160 ℃，进风速度11 m/s，进料速度30 Hz，获得较好分散性的木粉。

2. 2 堆积密度的测定

按照GB/T 16913-2008 粉尘物性试验标准进行木粉采集和自然堆积密度测试，连续3次测定所得粉尘质量，最大值与最小值之差应小于1 g，取符合要求的3次测量平均值作为测定结果（表1）。

2. 3 正交试验设计

POE-g-MAH含量为3%，润滑剂含量2%，试验选取木粉粒径、木粉含量、挤出温度、挤出速度为考察指标，分别用 A、B、C、D表示，选择木塑复合材料试验件弯曲强度、拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率作为评价指标（表2）。

2. 4 试件制备

将 PLA、POE-g-MAH和木粉按照配比，在张家港市米亚格机械有限公司生产的SHR-5A小型塑料高速混合机中混合15 min至均匀。将混合料在单螺杆挤出机在150 ℃进行造粒。将混合后的粒料加入到苏州融杰辉智能科技有限公司的单螺杆3D线材挤出机中挤出成型，挤出成型的线材经过（1.75±0.02） mm的孔径，冷却水冷却，使用游标卡尺测量直径在（1.75±0.05） mm范围内，置于恒温恒湿箱（25±2） ℃陈放24 h。

首先根据GB/T9341–2000与GB/T 1040.1-  2018标准使用Solidworks软件（Solidworks2016，达索系统Solidworks公司）绘制弯曲试件与拉伸试件的三维模型，保存格式为*.stl格式，将该文件导入到3D打印控制软件ReplicatorG。在控制面板中设置打印喷头目标温度为180 ℃，层高0.2 mm，将模型分层切片成3D打印机可识别的Gcode代码，同时开启FDM3D打印机（3DP-   150，渭南鼎信创新智造科技有限公司），并将制得的PLA-杨木粉线材载入3D打印机送丝机构，逐层堆积分层打印，最终打印出弯曲试件与拉伸试件的实体。

对3D打印得到的拉伸试件和弯曲试件，使用细砂纸打磨平整光滑，分别按照GB/T9341–2000与GB/T 1040.1-2018标准使用万能力学实验机（WDW-20，长春科新实验仪器有限公司）进行力学试验测试，通过对比PLA力学性能的差异，确定3D 打印的线材的制备工艺最优条件。

3 结果与分析

3. 1 正交试验结果

由L9（34）正交试验结果（表3）、极差分析（表4）和方法分析（表5）可知：以弯曲强度为评价指标时，4种因素影响作用的强弱为 B>A>D>C，最佳的工艺条件为A1B1C2D3，因素B呈极显著性;在以弹性模量为评价指标时，4种因素影响作用强弱为C>D>B>A，最佳的工艺条件为A1B3C2D3，因素C呈极显著性;在以拉伸强度为评价指标时，4种因素影响作用强弱为D>C>A>B，最佳的工艺条件为A1B3C2D2，但各因素均不显著;在以断裂伸长率为评价指标时，4种因素影响作用强弱为D>C=A>B，最佳的工艺条件为A2B2C3D2，各因素均不显著。综合结果来看，正交试验确定的最佳工艺条件为A2B1C2D2，即杨木粉的粒径为200目，杨木粉的含量为10%，拉丝温度为150 ℃，拉丝速度40 r/min。

3. 2 杨木木粉含量对PLA/杨木粉复合材料力学性能的影响

结合最佳实验条件對木粉含量的力学性能进行试验验证（图1），以不添加木粉的PLA/POE-g-   MAH最佳工艺条件下的材料作对照样。添加木粉复合材料的弯曲强度小于不添加的;弹性模量略高于不添加的，说明木粉对于PLA的弹性模量有一定的增强作用。

随着杨木粉含量的增加，其弯曲强度呈现不断下降的趋势，当杨木粉含量从10%提高到25%时，弯曲强度从75.62 MPa 降为59.28 MPa，降低了21.6%。当杨木粉的含量在10%时，能够在PLA中分散均匀，PLA渗入到杨木粉内部的纤维孔隙中作为粘结剂，使杨木粉中的纤维会发生彼此交叉、缠绕，加强了PLA/杨木粉复合材料的力学性。但随着杨木粉含量的提高，杨木粉内部羟基作用，使其在PLA中分散困难，容易出现团聚现象，导致力学性能下降。另外，在打印参数设置相同的情况下，木粉含量越高，线材流动性受到限制，在喷头的流动性较差，从而降低了PLA/杨木粉复合材料的力学性能，这与前人研究是一致的[ 11 - 12 ]。

3. 3 温度对PLA/杨木粉复合材料力学性能的验证试验

由温度对PLA/杨木粉复合材料弯曲强度和弹性模量的影响（图2）可知：温度对PLA/杨木粉复合材料弯曲强度和弹性模量存在一定影响。随着温度的增加，其弹性模量和弯曲强度呈先上升后下降的趋势。在150 ℃加工温度时，PLA/杨木粉复合材料的弹性模量为3 143.9 MPa，相对于110 ℃的弹性模量2 845.5 MPa，提高了10.49%，相比对照样的3 003.1 MPa提高了4.69%，

当温度升高为170 ℃时，PLA/杨木粉复合材料的弹性模量略有下降，为3 116.3 MPa，降低了0.88%。其原因可能是温度升高，增加高弹性体POE-g- MAH在PLA树脂中的熔融流动性，有利于POE-g-MAH与PLA中形成良好的交联，有效的包裹木粉，当外力施加到PLA/杨木粉复合材料时，外力通过系统能够有效传递到杨木粉上，从而使PLA/杨木粉复合材料的弹性模量得到提高，但是随着温度继续升高，会使发生木粉轻微的降解，从而影响弹性模量。

4 结 论

4. 1 正交试验得到力学性能最佳的工艺条件为A2B1C2D2，即杨木粉的粒径为200目，杨木粉的含量为10%，拉丝温度为150 ℃，拉丝速度40 r/min。木粉含量对弯曲强度的显著性极强，拉丝温度对弹性模量的显著性极强，工艺条件对于拉伸强度和断裂伸长率影响不显著。通过实验结果验证，正交试验方法可用于杨木粉-弹性体共混改性PLA线材工艺的优化。

4. 2 当杨木粉含量增加时，杨木粉-弹性体共混改性PLA的弯曲强度与弹性模量均不断下降，当添加量从10% 增加到25%时，弯曲强度下降了21.6%。

4. 3 当温度升高时，杨木粉-弹性体共混改性PLA的弯曲强度与弹性模量呈先增大后减小，150 ℃加工温度相对于110 ℃的弹性模量2 845.5 MPa，提高了10.49%。

4. 4 下一步研究会采用分析木粉、POE-g-MAH对于PLA的改性机理;对比不同的可反应相容剂、不可反应想容剂和偶联润滑剂含量对于木粉-弹性体共混改性PLA力学性能和机理的研究。

参考文献

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第1作者简介：  戴旭阳（1999-），  男，  本科。

通讯作者：  陈峰（1984-），  男，  讲师，  博士，  主要从事木材干燥及生物质复合材料的研究。

收稿日期： 2021 - 08 -  17

（责任编辑：   李 丹）