مقدمة
تطورت تقنيات التصنيع المضافة، ولا سيما الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الخيوط، بشكل كبير في السنوات الأخيرة، ويجري استخدامها بشكل متزايد في مجالات مثل النماذج الأولية والتصميم والهندسة المعمارية والفنون والحرف اليدوية والمكونات الوظيفية للاستخدام الداخلي والخارجي. ومما له أهمية خاصة ما يسمى ب "الخيوط المملوءة"، حيث يتم إضافة مواد حشو وظيفية مثل ألياف الخشب أو مسحوق المعادن (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ) إلى المادة الأساسية - غالبًا ما تكون حمض البولي لاكتيك (PLA). وتفتح هذه التركيبات من المواد إمكانيات جديدة من حيث المظهر والملمس والوظيفة للأجسام المطبوعة.
تضفي خيوط PLA المملوءة بالخشب على المكونات سطحاً طبيعياً وغالباً ما تُستخدم في تصميم الأثاث أو صناعة النماذج أو تطوير المنتجات المستدامة. من ناحية أخرى، تتيح متغيرات PLA المملوءة بالمعادن إمكانية إنشاء أجسام ذات وزن أعلى أو ثبات محسّن أو جماليات محددة، على سبيل المثال، العناصر الزخرفية أو النماذج الأولية الوظيفية مع زيادة مقاومة درجات الحرارة. يتم استخدام هذه المواد من قبل جمعية الأبحاث الألمانية للأدوات والمواد (FGW)، على سبيل المثال، في بناء النماذج التوضيحية والنماذج الأولية لتطوير الأدوات من أجل إنشاء حلول تطبيقية أكثر استدامة.
يوضح الشكل 1 أمثلة لتطبيقات خيوط PLA المملوءة بالخشب والمعدن في سياق بناء النموذج التوضيحي والنموذج الأولي. على اليسار توجد مقابض السكاكين والأدوات المصنوعة من خيوط مملوءة بالخشب، والتي توفر ملمسًا لطيفًا بالإضافة إلى سطح طبيعي وممتع من الناحية الجمالية. تُظهر الصورة الثانية نموذجًا توضيحيًا وظيفيًا لكماشة العقص استنادًا إلى آليات مرنة - مثال على تنفيذ ميكانيكا الحركة المعقدة باستخدام التصنيع الإضافي مع مواد مستدامة. على اليمين يوجد برغي مع صامولة مطابقة مصنوعة من خيوط مملوءة بالبرونز، وهي بمثابة نموذج توضيحي للتطبيقات الشبيهة بالمعادن بفضل زيادة وزنها ومظهرها المعدني.
وتتمثل الميزة الرئيسية للخيوط القائمة على PLA في قابليتها للتحلل الحيوي وإنتاجها الصديق للبيئة نسبيًا من مواد خام متجددة مثل نشا الذرة أو قصب السكر.
تتيح الحشوة المستهدفة بمواد عضوية أو غير عضوية تطوير مركبات PLA ليست فقط أكثر استدامة، ولكنها أيضًا تضاهي - أو حتى تتفوق - على الخواص الميكانيكية ومقاومة الطقس للخيوط التقليدية (غير القابلة للتحلل الحيوي) مثل ABS أو PETG، مع الحفاظ على تكاليف إنتاج مماثلة أو حتى أقل.
لتقييم مدى ملاءمة خيوط PLA المملوءة للتطبيقات المتطلبة، لا يكفي التوصيف الميكانيكي البحت. فمن الضروري فهم مقاومتها الحرارية وسلوك التحلل الحراري بدقة، خاصةً عند تطوير مواد مستدامة، من الضروري فهم مقاومتها الحرارية وسلوك التحلل الحراري بدقة. وهذا هو المكان الذي يوفر فيه تحليل قياس الثقل الحراري (TGA) رؤى قيمة.
ومن خلال التسجيل الدقيق لفقدان الكتلة كدالة لدرجة الحرارة، يمكن استخلاص استنتاجات حول ثبات حامل البوليمر، ووجود الحشو وكميته، وبدء عمليات التحلل الحراري وتطورها. وبالاقتران مع تحليل الغاز المتطور - على سبيل المثال، بواسطة الأشعة تحت الحمراء FT-IR - يمكن أيضًا تحديد نواتج التحلل الناتجة.
في هذه الدراسة، تمت مقارنة خيوط من خيوط PLA المتاحة تجاريًا والمملوءة بالخشب والفولاذ المقاوم للصدأ مع بعضها البعض. معلمات القياس مفصلة في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| الجهاز | TG 309 Libra® ، مقترنة بجهاز بروكر للبصريات FT-IR INVENIO من خلال خلية غاز خارجية |
|---|---|
| برنامج درجة الحرارة | 850 درجة مئوية - 850 درجة مئوية، جو N2 850 درجة مئوية - 1000 درجة مئوية، جو هوائي |
| معدل التسخين | 10 كلفن/دقيقة |
| كتلة العينة | 15 إلى 20 مجم |
| بوتقة | Al2O3، 85 ميكرولتر، مفتوح |
النتائج والمناقشة
في البداية، تم تسجيل أطياف ATR FT-IR للمادتين الأوليين (الشكل 2). أظهر كل من خيوط PLA المملوءة اتفاقًا جيدًا للغاية مع طيف قاعدة البيانات الحالية لـ PLA. ومع ذلك، لا يمكن تحديد تأثير مادة الحشو الموجودة هنا.
يوضح الشكل 3 مقارنة بين نتائج TGA للفتيلين المملوءين. تم تسخين كلتا الفتيلتين في جو خامل حتى 850 درجة مئوية عند 10 كلفن/دقيقة. وقد أظهرت الخيوط المملوءة بالخشب بالفعل فقدان كتلة small بنسبة 1.02% تحت 200 درجة مئوية، وهو ما يُفترض أنه يرجع إلى إطلاق الرطوبة من محتوى الخشب. بدأ الانحلال الحراري في كلتا العينتين فوق 250 درجة مئوية. هنا، تم اكتشاف فقدان كتلة بنسبة 39.73% للخيوط المملوءة بالفولاذ المقاوم للصدأ.
في حالة الخيوط المملوءة بالخشب، كان الانحلال الحراري لمكون البوليمر متراكبًا مع الانحلال الحراري لمكون الخشب. أدى ذلك إلى فقدان إجمالي للكتلة بنسبة 90.59%. وأخيرًا، فوق 850 درجة مئوية، تم استخدام الهواء الاصطناعي كغاز تطهير. أظهرت العينة التي تحتوي على الخشب احتراق سخام الانحلال الحراري الناتج. وعلى النقيض من ذلك، أظهرت العينة المملوءة بالفولاذ المقاوم للصدأ زيادة طفيفة في الكتلة، والتي يمكن أن تُعزى إلى أكسدة المحتوى المعدني. يُشار إلى الكتل المتبقية للعينتين بمحتوى الرماد وبلغت 1.70% (PLA+خشب) و62.15% (PLA+فولاذ مقاوم للصدأ).
يمكن أخذ نطاقات انصهار العينات من إشارة ج-ديتا® (DTA المحسوبة). كانت هذه حوالي 150 درجة مئوية. يمكن استخدام نطاق درجة الحرارة أعلى من درجة حرارة الانصهار وأقل من بداية التحلل كدرجة حرارة المعالجة للطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، يمكن أن تتسبب درجة حرارة الطباعة المرتفعة للغاية في بدء تحلل البوليمر بالفعل أثناء عملية الطباعة.
ولتحليل الغازات المتطورة، تم نقلها إلى خلية قياس الغازات الخارجية لجهاز Bruker FT-IR INVENIO باستخدام خط نقل ساخن. تظهر الأطياف التي تم الحصول عليها في الشكل 4. يُظهر الانحلال الحراري للبوليمر نفس الخصائص لكلا العينتين (الطيف الأزرق والأحمر)، حتى لو لم يكن بالإمكان تحديد أي مكونات فردية. يشير نطاق الأشعة تحت الحمراء عند 1790 سم-1 إلى إطلاق دالة الكربونيل، وهو ما يحدث عادةً في نواتج تحلل بوليمر PLA. ومن المفترض أن يتم إطلاق العديد من المواد في وقت واحد.
يُظهر الطيف الأخضر في الشكل 4 التحلل الحراري لمكونات الخشب. بالإضافة إلى وظائف الكربونيل، تظهر قمم وأكتاف أخرى. على سبيل المثال، تم اكتشاف دوال الميثان وثاني أكسيد الكربون، وهي دوال نموذجية للتحلل الحراري لعينات الكتلة الحيوية. ويمكن أن يُستنتج من ذلك أن حشو الخشب يتحلل عند درجات حرارة أعلى، بينما تتحلل قاعدة PLA فقط عند درجات حرارة منخفضة.
الخاتمة
يمكن استخدام تحليل TGA-FT-IR للحصول على معلومات شاملة عن الاستقرار الحراري وتكوين خيوط PLA المملوءة. يوضح التحليل نطاق ذوبان مصفوفة PLA وبداية التحلل الحراري. يمكن استخدام هذه البيانات Identify نافذة معالجة آمنة. وتنتج مواد الحشو العضوية، مثل الخشب، مركبات متطايرة وسخام الانحلال الحراري أثناء الانحلال الحراري، بينما تترك مواد الحشو المعدنية بقايا رماد صافية يمكن استخدامها لتحديد محتوى الحشو.
يتيح تحليل غاز FT-IR المقترن بتحليل غاز FT-IR تحديد نواتج التحلل المنبعثة. وهذا يسمح بتقييم تركيبة المادة بدقة وتحديد المواد، بما في ذلك نوع الحشو، بوضوح.