正交試驗法對3D打印用楊木粉-馬來酸酐接枝彈性體共混改性PLA線材工藝優化的應用

戴旭陽 陳峰 楊雪 李文杰 楊煜

摘要：? 以楊木粉、聚乳酸（PLA）顆粒和馬來酸酐接枝聚烯烴熱塑彈性體為原料，采用正交試驗法對楊木粉-彈性體共混改性PLA線材的擠出工藝進行優化。以楊木粉粒徑、木粉含量、擠出溫度、擠出速度為自變量影響因子，以最大彎曲應力、彈性模量、拉伸斷裂強度和斷裂伸長率為考察對象，考察工藝條件對3D打印用楊木粉和POE-g-MAH共混改性PLA復合材料力學性能的影響，從而確定最優工藝條件為：楊木粉的粒徑為200目、楊木粉的含量為10%、拉絲溫度為150 ℃、拉絲速度40 r/min，經過單因素試驗驗證，正交試驗直觀分析與單因素試驗結果趨勢一致。表明正交試驗分析可用于楊木粉-彈性體共混改性PLA線材工藝的優化。

關鍵詞：? 正交試驗法;? 木粉;? 聚乳酸;? 馬來酸酐接枝聚烯烴熱塑彈性體;? 最優配比

中圖分類號：? ?S 781. 23? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2021）06 - 0044 - 05

聚乳酸（PLA）是來源于可再生的聚合物材料，是廣泛運用的生物質材料[ 1 ]。PLA像大部分熱塑性塑料一樣可以拉成絲狀，其表面易于印刷，因此PLA可廣泛作為3D打印材料[ 2 - 5 ]，但PLA具有韌性差、耐熱性差等缺點，這是目前亟待解決的問題[ 6 - 7 ]。

木粉作為天然原料、增強材料被廣泛應用到PLA的改性中，有學者對80～120目木粉應用在線材工藝優化進行了研究，并取得了重大進步[ 8 - 10 ]，但仍存在木粉在PLA分散不均勻等問題，也未見到更細的木粉粉體應用到3D打印材料的研究中。另外，經項目組前期的市場調研發現，市場上木質粉體-PLA線材在3D打印過程中，由于溫度過高出現碳化損壞噴頭現象。因此，本研究針對以上問題，選用脈沖-旋流氣流干燥楊木粉提高木粉的分散度，以馬來酸酐接枝聚烯烴熱塑彈性體（POE-g-GMA）為相容劑，采用正交試驗法優化楊木粉-PLA線材的擠出工藝，探索工藝條件在3D線材復合材料制備的適應性和可靠性。

1 材料與儀器

1. 1 材 料

聚乳酸顆粒（PLA，東莞市凱西利塑料有限公司），熔流率（ 240 ℃，以 2.16 kg 計） 為7.0 g/10 min，密度1.27 g/cm3，;馬來酸酐接枝聚烯烴熱塑彈性體（POE-g-MAH，AMPLIFY GR216，美國陶氏化學公司），熔流率（ 190 ℃，以 2.16 kg 計） 為1.25 g/10 min，比重0.875 g/cm3;潤滑劑 （TPW604，美國Struktol公司）。楊木木粉，100～300目，購自靈壽縣百豐礦產品加工廠，初含水率9.2%。

1. 2 儀 器

鼓風干燥箱（101-1S，浙江力辰儀器科技有限公司）;脈沖-旋流氣流干燥機（MQG-50，江蘇健達干燥工程有限公司）;萬能力學實驗機（WDW- 20，長春科新實驗儀器有限公司）;自然堆積密度計（XF-16913，湖南力辰儀器科技有限公司）;含水率測定儀（MB23，奧豪斯儀器（上海）有限公司）;單螺桿FDM線材擠出機（蘇州融杰輝智能科技有限公司）;FDM 3D打印機（3DP-150，渭南鼎信創新智造科技有限公司）。

2 方法與結果

2. 1 樣品預處理

楊木木粉通過篩網篩分獲得100目-、200目-、300目-木粉，經鼓風干燥箱103±2 ℃干燥使其含水率為5.3%±0.2%，再經過脈沖-旋流氣流干燥機進行二次干燥，獲得終含水率為2.8%±0.2%，干燥條件為進風溫度160 ℃，進風速度11 m/s，進料速度30 Hz，獲得較好分散性的木粉。

2. 2 堆積密度的測定

按照GB/T 16913-2008 粉塵物性試驗標準進行木粉采集和自然堆積密度測試，連續3次測定所得粉塵質量，最大值與最小值之差應小于1 g，取符合要求的3次測量平均值作為測定結果（表1）。

2. 3 正交試驗設計

POE-g-MAH含量為3%，潤滑劑含量2%，試驗選取木粉粒徑、木粉含量、擠出溫度、擠出速度為考察指標，分別用 A、B、C、D表示，選擇木塑復合材料試驗件彎曲強度、拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率作為評價指標（表2）。

2. 4 試件制備

將 PLA、POE-g-MAH和木粉按照配比，在張家港市米亞格機械有限公司生產的SHR-5A小型塑料高速混合機中混合15 min至均勻。將混合料在單螺桿擠出機在150 ℃進行造粒。將混合后的粒料加入到蘇州融杰輝智能科技有限公司的單螺桿3D線材擠出機中擠出成型，擠出成型的線材經過（1.75±0.02） mm的孔徑，冷卻水冷卻，使用游標卡尺測量直徑在（1.75±0.05） mm范圍內，置于恒溫恒濕箱（25±2） ℃陳放24 h。

首先根據GB/T9341–2000與GB/T 1040.1-? 2018標準使用Solidworks軟件（Solidworks2016，達索系統Solidworks公司）繪制彎曲試件與拉伸試件的三維模型，保存格式為*.stl格式，將該文件導入到3D打印控制軟件ReplicatorG。在控制面板中設置打印噴頭目標溫度為180 ℃，層高0.2 mm，將模型分層切片成3D打印機可識別的Gcode代碼，同時開啟FDM3D打印機（3DP-? ?150，渭南鼎信創新智造科技有限公司），并將制得的PLA-楊木粉線材載入3D打印機送絲機構，逐層堆積分層打印，最終打印出彎曲試件與拉伸試件的實體。

對3D打印得到的拉伸試件和彎曲試件，使用細砂紙打磨平整光滑，分別按照GB/T9341–2000與GB/T 1040.1-2018標準使用萬能力學實驗機（WDW-20，長春科新實驗儀器有限公司）進行力學試驗測試，通過對比PLA力學性能的差異，確定3D 打印的線材的制備工藝最優條件。

3 結果與分析

3. 1 正交試驗結果

由L9（34）正交試驗結果（表3）、極差分析（表4）和方法分析（表5）可知：以彎曲強度為評價指標時，4種因素影響作用的強弱為 B>A>D>C，最佳的工藝條件為A1B1C2D3，因素B呈極顯著性;在以彈性模量為評價指標時，4種因素影響作用強弱為C>D>B>A，最佳的工藝條件為A1B3C2D3，因素C呈極顯著性;在以拉伸強度為評價指標時，4種因素影響作用強弱為D>C>A>B，最佳的工藝條件為A1B3C2D2，但各因素均不顯著;在以斷裂伸長率為評價指標時，4種因素影響作用強弱為D>C=A>B，最佳的工藝條件為A2B2C3D2，各因素均不顯著。綜合結果來看，正交試驗確定的最佳工藝條件為A2B1C2D2，即楊木粉的粒徑為200目，楊木粉的含量為10%，拉絲溫度為150 ℃，拉絲速度40 r/min。

3. 2 楊木木粉含量對PLA/楊木粉復合材料力學性能的影響

結合最佳實驗條件對木粉含量的力學性能進行試驗驗證（圖1），以不添加木粉的PLA/POE-g-? ?MAH最佳工藝條件下的材料作對照樣。添加木粉復合材料的彎曲強度小于不添加的;彈性模量略高于不添加的，說明木粉對于PLA的彈性模量有一定的增強作用。

隨著楊木粉含量的增加，其彎曲強度呈現不斷下降的趨勢，當楊木粉含量從10%提高到25%時，彎曲強度從75.62 MPa 降為59.28 MPa，降低了21.6%。當楊木粉的含量在10%時，能夠在PLA中分散均勻，PLA滲入到楊木粉內部的纖維孔隙中作為粘結劑，使楊木粉中的纖維會發生彼此交叉、纏繞，加強了PLA/楊木粉復合材料的力學性。但隨著楊木粉含量的提高，楊木粉內部羥基作用，使其在PLA中分散困難，容易出現團聚現象，導致力學性能下降。另外，在打印參數設置相同的情況下，木粉含量越高，線材流動性受到限制，在噴頭的流動性較差，從而降低了PLA/楊木粉復合材料的力學性能，這與前人研究是一致的[ 11 - 12 ]。

3. 3 溫度對PLA/楊木粉復合材料力學性能的驗證試驗

由溫度對PLA/楊木粉復合材料彎曲強度和彈性模量的影響（圖2）可知：溫度對PLA/楊木粉復合材料彎曲強度和彈性模量存在一定影響。隨著溫度的增加，其彈性模量和彎曲強度呈先上升后下降的趨勢。在150 ℃加工溫度時，PLA/楊木粉復合材料的彈性模量為3 143.9 MPa，相對于110 ℃的彈性模量2 845.5 MPa，提高了10.49%，相比對照樣的3 003.1 MPa提高了4.69%，

當溫度升高為170 ℃時，PLA/楊木粉復合材料的彈性模量略有下降，為3 116.3 MPa，降低了0.88%。其原因可能是溫度升高，增加高彈性體POE-g- MAH在PLA樹脂中的熔融流動性，有利于POE-g-MAH與PLA中形成良好的交聯，有效的包裹木粉，當外力施加到PLA/楊木粉復合材料時，外力通過系統能夠有效傳遞到楊木粉上，從而使PLA/楊木粉復合材料的彈性模量得到提高，但是隨著溫度繼續升高，會使發生木粉輕微的降解，從而影響彈性模量。

4 結 論

4. 1 正交試驗得到力學性能最佳的工藝條件為A2B1C2D2，即楊木粉的粒徑為200目，楊木粉的含量為10%，拉絲溫度為150 ℃，拉絲速度40 r/min。木粉含量對彎曲強度的顯著性極強，拉絲溫度對彈性模量的顯著性極強，工藝條件對于拉伸強度和斷裂伸長率影響不顯著。通過實驗結果驗證，正交試驗方法可用于楊木粉-彈性體共混改性PLA線材工藝的優化。

4. 2 當楊木粉含量增加時，楊木粉-彈性體共混改性PLA的彎曲強度與彈性模量均不斷下降，當添加量從10% 增加到25%時，彎曲強度下降了21.6%。

4. 3 當溫度升高時，楊木粉-彈性體共混改性PLA的彎曲強度與彈性模量呈先增大后減小，150 ℃加工溫度相對于110 ℃的彈性模量2 845.5 MPa，提高了10.49%。

4. 4 下一步研究會采用分析木粉、POE-g-MAH對于PLA的改性機理;對比不同的可反應相容劑、不可反應想容劑和偶聯潤滑劑含量對于木粉-彈性體共混改性PLA力學性能和機理的研究。

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第1作者簡介：? 戴旭陽（1999-），? 男，? 本科。

通訊作者：? 陳峰（1984-），? 男，? 講師，? 博士，? 主要從事木材干燥及生物質復合材料的研究。

收稿日期： 2021 - 08 -? 17

（責任編輯：? ?李 丹）