Bevezetés
Az additív gyártási technológiák, különösen a 3D nyomtatás szálakkal, jelentősen fejlődtek az elmúlt években, és egyre gyakrabban alkalmazzák őket olyan területeken, mint a prototípusgyártás, a tervezés, az építészet, a kézművesség, valamint a beltéri és kültéri használatra szánt funkcionális alkatrészek. Különösen érdekesek az úgynevezett "töltött szálak", amelyekben az alapanyaghoz - gyakran polimájsavhoz (PLA) - funkcionális töltőanyagokat, például faanyagszálakat vagy fémport (pl. rozsdamentes acél) adnak. Ezek az anyagkombinációk új lehetőségeket nyitnak meg a nyomtatott tárgyak megjelenése, textúrája és funkcionalitása tekintetében.
A fával töltött PLA szálak természetes felületet kölcsönöznek az alkatrészeknek, és gyakran használják őket a bútortervezésben, a modellgyártásban vagy a fenntartható termékfejlesztésben. A fémmel töltött PLA-változatok viszont nagyobb súlyú, jobb stabilitású vagy különleges esztétikájú tárgyak létrehozását teszik lehetővé, például dekoratív elemek vagy fokozott hőmérséklet-ellenállású funkcionális prototípusok. Ezeket az anyagokat például a Német Szerszám- és Anyagkutató Egyesület (FGW) használja demonstrátor- és prototípusgyártásban a szerszámfejlesztéshez, hogy fenntarthatóbb alkalmazási megoldásokat hozzon létre.
Az 1. ábra példákat mutat a fával és fémmel töltött PLA-szálak alkalmazására a demonstrátor- és prototípusgyártás keretében. Balra a fával töltött filamentből készült kés- és szerszámmarkolat látható, amely kellemes tapintást, valamint természetes, esztétikus felületet biztosít. A második képen egy rugalmas mechanizmusokon alapuló, funkcionális demonstrátor, egy krimpelő fogó látható - egy példa a komplex mozgásmechanika megvalósítására additív gyártás segítségével, fenntartható anyagokkal. Jobbra egy bronz töltésű filamentből készült csavar a hozzá illő anyával, amely megnövelt súlyának és fémes megjelenésének köszönhetően fémszerű alkalmazások szemléltető prototípusaként szolgál.
A PLA alapú filamentek egyik legfontosabb előnye a biológiai lebonthatóságuk és viszonylag környezetbarát előállításuk megújuló nyersanyagokból, például kukoricakeményítőből vagy cukornádból.
A szerves vagy szervetlen anyagokkal való célzott feltöltés lehetővé teszi olyan PLA-keverékek kifejlesztését, amelyek nemcsak fenntarthatóbbak, hanem a hagyományos (nem biológiailag lebomló) szálak, például az ABS vagy a PETG mechanikai tulajdonságait és időjárásállóságát is elérik, sőt felülmúlják, mindezt hasonló vagy akár alacsonyabb előállítási költségek mellett.
A töltött PLA-szálak igényes alkalmazásokhoz való alkalmasságának értékeléséhez nem elegendő a pusztán mechanikai jellemzés. Különösen a fenntartható anyagok fejlesztése során elengedhetetlen a hőállóságuk és hőbomlási viselkedésük pontos megértése. Itt nyújt értékes betekintést a termogravimetriás elemzés (TGA).
A tömegveszteségek pontos rögzítésével a hőmérséklet függvényében következtetéseket lehet levonni a polimer hordozó stabilitásáról, a töltőanyagok jelenlétéről és mennyiségéről, valamint a hőbomlási folyamatok kezdetéről és lefolyásáról. A keletkezett gázelemzéssel kombinálva - például FT-IR segítségével - a keletkező bomlástermékek is azonosíthatók.
Ebben a tanulmányban két, kereskedelmi forgalomban kapható PLA-alapú, fával és rozsdamentes acéllal töltött szálakat hasonlítottunk össze egymással. A mérési paramétereket az 1. táblázat részletezi.
1. táblázat: Mérési feltételek
| Műszer | TG 309 Libra®, külső gázcellán keresztül a Bruker Optics FT-IR INVENIO készülékhez csatlakoztatva |
|---|---|
| Hőmérsékleti program | RT-850°C, N2 atmoszféra, 850°C-1000°C, levegő atmoszféra |
| Fűtési sebesség | 10 K/perc |
| A minta tömege | 15-20 mg |
| Tégely | Al2O3, 85 μl, nyitott |
Eredmények és vita
Kezdetben felvettük a két kiindulási anyag ATR FT-IR spektrumát (2. ábra). Mindkét töltött PLA-szál nagyon jó egyezést mutatott a PLA meglévő adatbázis spektrumával. A meglévő töltőanyag hatása azonban itt még nem azonosítható.
A 3. ábra a két töltött szál TGA-eredményeinek összehasonlítását mutatja. Mindkét fonalat inert atmoszférában 850 °C-ra melegítettük 10 K/perc sebességgel. A fával töltött szál már 200°C alatt 1,02%-os small tömegveszteséget mutatott, ami feltehetően a fatartalomból származó nedvesség felszabadulásának köszönhető. A PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízis mindkét minta esetében 250°C felett kezdődött meg. Itt 39,73%-os tömegveszteséget mutattak ki a rozsdamentes acéllal töltött szál esetében.
A fával töltött szál esetében a polimer komponens PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízisét a fakomponens PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízisével felülmúlta a polimer komponens pirolízise. Ez összesen 90,59%-os tömegveszteséget eredményezett. Végül 850 °C felett szintetikus levegőt használtunk öblítőgázként. A fát tartalmazó mintában a keletkező PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízisSzénfeketeA hőmérséklet és a légkör (tisztítógáz) befolyásolja a tömegváltozási eredményeket. Ha a TGA-mérés során a légkört pl. nitrogénről levegőre változtatjuk, lehetővé válik az adalékanyagok, pl. a korom, és az ömlesztett polimer elválasztása és mennyiségi meghatározása. korom égése volt megfigyelhető. Ezzel szemben a rozsdamentes acéllal töltött minta enyhe tömegnövekedést mutatott, ami a fémtartalom OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációjának tulajdonítható. A két minta maradék tömegét hamutartalomnak nevezzük, és az 1,70% (PLA+fa) és 62,15% (PLA+rozsdamentes acél) volt.
A minták olvadási tartományai a c-DTA® (számított DTA) jelből vehetők ki. Ezek 150°C körül voltak. Az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérséklet feletti és a Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás kezdete alatti hőmérséklettartomány használható a 3D nyomtatáshoz szükséges feldolgozási hőmérsékletként. A túl magas nyomtatási hőmérséklet azonban azt eredményezheti, hogy a polimer lebomlása már a nyomtatási folyamat során megkezdődik.
A keletkezett gázok elemzéséhez azokat a Bruker FT-IR INVENIO készülék külső gázmérő cellájába vezettük át egy fűtött átvezető vezeték segítségével. A kapott spektrumok a 4. ábrán láthatók. A polimer pirolízise mindkét minta esetében azonos jellemzőket mutat (kék és piros spektrum), még ha az egyes komponensek nem is azonosíthatók. Az 1790 cm-1 -nél lévő IR-sáv a karbonilfunkció felszabadulására utal, ami jellemzően a PLA bomlástermékeiben fordul elő. Feltehetően sok anyag szabadul fel egyszerre.
A 4. ábrán látható zöld spektrum a fa összetevőinek PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízisét mutatja. A karbonilfunkciókon kívül további csúcsok és vállak válnak láthatóvá. Például CH-funkciókat ésCO2-t detektáltunk, amelyek a biomasszaminták termikus lebomlására jellemzőek. Ebből arra lehet következtetni, hogy a fa töltőanyag magasabb hőmérsékleten bomlik, míg alacsonyabb hőmérsékleten csak a PLA alapanyag bomlik.
Következtetés
A TGA-FT-IR segítségével átfogó információt kaphatunk a töltött PLA-szálak HőstabilitásEgy anyag hőstabil, ha a hőmérséklet hatására nem bomlik el. Egy anyag hőstabilitásának meghatározására a TGA (termogravimetriás analizátor) egyik módja. hőstabilitásáról és összetételéről. Az elemzés megmutatja a PLA mátrix olvadási tartományát és a termikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás kezdetét. Ezek az adatok felhasználhatók a Identify biztonságos feldolgozási ablakhoz. A szerves töltőanyagok, mint például a fa, a PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízis során illékony vegyületeket és PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízis kormot termelnek, míg a fémes töltőanyagok tiszta hamu maradványt hagynak maguk után, amely felhasználható a töltőanyag-tartalom meghatározására.
A kapcsolt FT-IR gázelemzés lehetővé teszi a felszabaduló bomlástermékek azonosítását. Ez lehetővé teszi az anyagösszetétel pontos értékelését és az anyag, beleértve a töltőanyag típusát is, egyértelmű azonosítását.