Исследование свойств древесно-полимерного композита на основе PLA

  • И. К. Говядин Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова https://orcid.org/0000-0002-0143-1916
  • А. Н. Чубинский Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова https://orcid.org/0000-0001-7914-8056
Ключевые слова: древесно-полимерная композиция, FDM-печать, древесная мука, полилактид, древесно-полимерная нить для FDM-печати, свойства древесно-полимерной нити

Аннотация

Представлены результаты исследования древесно-полимерной нити для печати методом послойного наплавления. 3D-печать, используемая при изготовлении изделий со сложными геометрическими формами, может быть составной частью производства малых архитектурных форм, мебельного декора, детских игрушек. Аддитивные технологии позволяют перейти на безотходное производство, а также применять возобновляемое биологическое сырье. Использование древесно-полимерных композитов для инкрустации мебели позволяет снизить себестоимость готового изделия. В ходе эксперимента на одношнековом экструдере были изготовлены нити диаметром 1,7 мм из смеси наполнитель (древесная мука)/связующее (полилактид). Установлено, что наполнитель равномерно распределен по объему связующего в виде частиц сферической либо удлиненной формы с размерами от 0,2 до 1,2 мкм. Размер зон с повышенной концентрацией частиц наполнителя изменяется от 2,7 до 9,8 мкм. обнаружены пустоты произвольной формы (с размерами от 9,5 до 32,5 мкм) в срезах древесно-полимерной нити, полученных перпендикулярно ее длине. Исследование срезов нити в режиме «скрещенных николей» показало мозаичный характер двулучепреломления. Размер агрегатов с интенсивным двулучепреломлением из сферических частиц изменяется от 4,5 до 55,1 мкм. вероятно, частицы древесной муки являются зародышами для кристаллизации связующего (полилактида), что проявляется в возникновении этих зон. Изучение вязкости древесно-полимерного композита от температуры показало, что в сравнении с полилактидными (PLA) нитями существенных отличий не обнаружено. Установлены температуры стеклования (58,19 °с) и начала плавления (214,00 °с), что подтверждает схожесть нитей из древесно-полимерного композита с нитями PLA. Результаты испытаний на водопоглощение свидетельствуют, что в исследуемых образцах массовая доля воды значительно увеличивается с ростом содержания наполнителя в материале и высоты напечатанного слоя. Измерение краевого угла смачивания образцов показало, что водно-дисперсионные лаки частично смачивают поверхность древесно-полимерного композита, создавая условия адгезионного взаимодействия. По прочности при разрыве и модулю упругости при растяжении (при 100 % плотности заполнения) образцы из древесно-полимерной композиции уступают нитям из PLA, но имеют лучшие показатели по сравнению с образцами из ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) пластика. тепловизионное исследование позволило зафиксировать быстрое снижение температуры слоев модели от уровней, возникающих на выходе из сопла, до значений средней зоны модели и разделить термические зоны на три уровня, а также подтвердило схожесть с образцами из PLA-нити.

Для цитирования: Говядин И.К., Чубинский А.Н. Исследование свойств древесно-полимерного композита на основе PLA // Изв. вузов. лесн. журн. 2020. № 2. с. 129–145. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-129-145

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

И. К. Говядин, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова

аспирант

А. Н. Чубинский, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова

д-р техн. наук, проф.

Литература

Говядин И.К. Производственная линия изготовления древесно-полимерной нити для 3D-печати методом послойного наплавления полимера // Актуальные вопросы в лесном хозяйстве: материалы 3-й междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, 06–08 ноября 2019 г. сПб.: Полиграф Экспресс, 2019. 254 с. [Govyadin I.K. Production Line for the Manufacture of Wood-Polymer Filament for 3D Printing by the FDM-Method. The Current Issues in Forestry: Conference of Young Scientists, Saint Petersburg, November 6–8, 2019. Saint Petersburg, Poligraf ekspress Publ. 2019. 254 p.].

Патент на полезную модель № 190068 Российская Федерация, МПК B29B 7/92. Портативный шнековый экструдер для производства древесно-полимерной нити: № 2019103226: заявл. 05.02.19: опубл. 17.06.19. / Говядин И.К. [Govyadin I.K. Portable Screw Extruder for the Production of Wood-Polymer Filament. Patent RF, no. RU 190068 U1, 2019.].

Чубинский А.Н. Формирование клеевых соединений древесины. СПб.: СПбГУ, 1992. 164 с. [Chubinsky A.N. The Formation of Adhesive Joints of Wood. Saint Petersburg, SPbGU Publ., 1992. 164 p.].

Afrose M.F. Mechanical and Viscoelastic Properties of Polylactic Acid (PLA) Materials Processed Through Fused Deposition Modelling (FDM). B.Sc. (Hons) in Mechanical Engineering. Hawthorn, Australia, Swinburne University of Technology, 2016. 81 p.

Aravind Raj S., Muthukumaran E., Jayakrishnaa K. A Case Study of 3D Printed PLA and Its Mechanical Properties. Materials Today: Proceedings, 2018, vol. 5, iss. 5, part 2, pp. 11219–11226. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.01.146

Ayrilmis N., Kariz M., Kwon J.H., Kuzman M.K. Effect of Printing Layer Thickness on Water Absorption and Mechanical Properties of 3D-Printed Wood/PLA Composite Materials. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, vol. 102, pp. 2195–2200. DOI: 10.1007/s00170-019-03299-9

Caminero M.A., Chacón J.M., García-Plaza E., Núñez P.J., Reverte J.M., Becar J.P. Additive Manufacturing of PLA-Based Composites Using Fused Filament Fabrication: Effect of Graphene Nanoplatelet Reinforcement on Mechanical Properties, Dimensional Accuracy and Texture. Polymers, 2019, vol. 11, iss. 5, art. 799. DOI: 10.3390/polym11050799

Cicala G., Giordano D., Tosto C., Filippone G., Recca A., Blanco I. Polylactide (PLA) Filaments a Biobased Solution for Additive Manufacturing: Correlating Rheology and Thermomechanical Properties with Printing Quality. Materials, 2018, vol. 11(7), art. 1191. DOI: 10.3390/ma11071191

Domínguez-Rodríguez G., Ku-Herrera J.J., Hernández-Pérez A. An Assessment of the Effect of Printing Orientation, Density, and Filler Pattern on the Compressive Performance of 3D Printed ABS Structures by Fuse Deposition. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, vol. 95, pp. 1685–1695. DOI: 10.1007/s00170-017-1314-x

Farbman D., McCoy C. Materials Testing of 3D Printed ABS and PLA Samples to Guide Mechanical Design. Proceedings of the 11th International Manufacturing Science and Engineering Conference, Blacksburg, June 27 – July 1, 2016. Blacksburg, VA, USA, 2016, paper no. MSEC2016-8668, V002T01A015. DOI: 10.1115/MSEC2016-8668

Jaya Christiyan K.G., Chandrasekhar U., Venkateswarlu K. A Study on the Influence of Process Parameters on the Mechanical Properties of 3D Printed ABS Composite. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, vol. 114, art. 012109. DOI: 10.1088/1757-899X/114/1/012109

Kuznetsov V.E., Solonin A.N., Urzhumtsev O.D., Schilling R., Tavitov A.G. Strength of PLA Components Fabricated with Fused Deposition Technology Using a Desktop 3D Printer as a Function of Geometrical Parameters of the Process. Polimers, 2018, vol. 10(3), art. 313. DOI: 10.3390/polym10030313

Messimer S.L., Pereira T.R., Patterson A.E., Lubna M., Drozda F.O. Full-Density Fused Deposition Modeling Dimensional Error as a Function of Raster Angle and Build Orientation: Large Dataset for Eleven Materials. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2019, vol. 3(1), art. 6. DOI: 10.3390/jmmp3010006

Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G., Nguyen K.T.Q., Hui D. Additive Manufacturing (3D Printing): A Review of Materials, Methods, Applications and Challenges. Composites Part B: Engineering, 2018, vol. 143, pp. 172–196. DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012

Patterson A.E., Pereira T.R., Allison J.T., Messimer S.L. IZOD Impact Properties of Full-Density Fused Deposition Modeling Polymer Materials with Respect to Raster Angle and Print Orientation. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2019. DOI: 10.1177/0954406219840385

Samykano M., Selvamani S.K., Kadirgama K., Ngui W.K., Kanagaraj G., Sudhakar K. Mechanical Property of FDM Printed ABS: Influence of Printing Parameters. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, vol. 102, pp. 2779–2796. DOI: 10.1007/s00170-019-03313-0

Seol K.-S., Zhao P., Shin B.-C., Zhang S.-U. Infill Print Parameters for Mechanical Properties of 3D Printed PLA Parts. The Korean Society of Manufacturing Process Engineers, 2018, vol. 17, no. 4, pp. 9–16. DOI: 10.14775/ksmpe.2018.17.4.009

Song J., Kay M., Coles R. Bioplastics. Ch. 11. Food and Beverage Packaging Technology. Ed. by R. Coles, M. Kirwan. Chichester, UK, Blackwell Publishing Ltd., 2011, pp. 295–319. DOI: 10.1002/9781444392180.ch11

Technical Data of the CADIT Biodegradable PLA Plastic Pellets KD-195. China, Shenzhen Cadit Plastic Material Co. 2018. Available at: https://www.alibaba.com/product-detail/Biodegradable-PLA-plastic-pellets-specifically-designed_60772914070.html (accessed 29.11.19).

Van Zeijderveld J. The State of 3D Printing 2018: Available for Free Now! Available at: https://www.sculpteo.com/blog/2018/05/30/the-state-of-3d-printing-2018-available-forfree-now/ (accessed 30.05.18).

Zgryza Ł., Raczyńska A., Paśnikowska-Łukaszuk M. Thermovisual Measurements of 3D Printing of ABS and PLA Filaments. Advances in Science and Technology Research Journal, 2018, vol. 12, iss. 3, pp. 266–271. DOI: 10.12913/22998624/94325

Zhang Q., Pardo M., Rudich Y., Kaplan-Ashiri I., Wong J.P.S., Davis A.Y., Black M.S., Weber R.J. Chemical Composition and Toxicity of Particles Emitted from a Consumer-Level 3D Printer Using Various Materials. Environmental Science & Technology, 2019, vol. 53, iss. 20, pp

Опубликован
2020-03-27
Как цитировать
Говядин, И., и А. Чубинский. Исследование свойств древесно-полимерного композита на основе PLA. Лесной журнал, вып. 2, Mar. 2020, сс. 129-45, doi:10.37482/0536-1036-2020-2-129-145.
Раздел
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВЕСИНОВЕДЕНИЕ