Исследование свойств древесно-полимерного композита на основе PLA

УДК

674.8

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-2-129-145

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.

Сведения об авторах

И.К. Говядин, асп.; ResearcherID: AAF-5782-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0143-1916
А.Н. Чубинский, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: I-9432-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7914-8056
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021; e-mail: govyadin812@gmail.com, a.n.chubinsky@gmail.com

Ключевые слова

древесно-полимерная композиция, FDM-печать, древесная мука, по- лилактид, древесно-полимерная нить для FDM-печати, свойства древесно-полимерной 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

Литература

1. 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.].
2. 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].
3. 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.].
4. 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.
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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
9. 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
10. 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
11. 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
12. 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
13. 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
14. 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
15. 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
16. 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
17. 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
18. 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
19. 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).
20. 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).
21. 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
22. 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. 12054–12061. DOI: 10.1021/acs.est.9b04168

Ссылка на английскую версию:

The Study of PLA-Based Wood-Polymer Composite Properties

THE STUDY OF PLA-BASED WOOD-POLYMER COMPOSITE PROPERTIES

I.K. Govyadin, Postgraduate Student; ResearcherID: AAF-5782-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0143-1916
A.N. Chubinsky, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: I-9432-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7914-8056
Saint Petersburg State Forest Technical University, Institutskiy per., 5, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation; e-mail: govyadin812@gmail.com, a.n.chubinsky@gmail.com

The paper presents the study of wood-polymer filament for fused filament fabrication (FDM) printing. 3D printing is used in the manufacture of products of a complex shape, which means it can be an integral part of the production of hardscape, furniture decor, and childrenʼs toys. Additive manufacturing allow to switch over to zero waste production, as well as to use renewable biological raw materials. The use of wood-polymer composites in manufacture and inlay of furniture provides an opportunity to reduce the costs of the finished product. Filaments (1.7 mm diameter) were made of a filler/binder (wood flour/polylactide) mixture on a single screw extruder. As a result of studying the filament morphology, it was found that the filler is evenly distributed over the volume of the binder in the form of particles of a spherical or elongated shape with sizes from 0.2 to 1.2 μm. The size of the zones with an enhanced concentration of the filler particles vary between 2.7 and 9.8 μm. Voids were found in the wood-polymer filament sections obtained perpendicular to the filamentʼs length; the void shape is arbitrary; the void size ranges from 9.5 to 32.5 μm. The study of the filament sections in the crossed Nicols mode showed a mosaic pattern of birefringence. The size of aggregates of spherical particles with intense birefringence varies in the range from 4.5 to 55.1 μm. Probably, the particles of wood flour are the nucleation centre of crystallization of the binder (polylactide), which is manifested in the formation of the birefringence zones. The study of the temperature dependence of viscosity of the wood-polymer composite showed no significant differences WPC filaments in comparison with PLA filaments. The glass transition temperature was set to 58.19 °C and the melting point temperature was 214.00 °C, which confirms the similarity with PLA filaments. The results of water absorption tests showed that the water mass fraction in the samples increases significantly with the growth of the filler content in the material and the thickness of the printed layer. The results of measuring the contact angle of the test samples showed that water-dispersion varnishes partially wet the surface of the wood-polymer composite, creating the conditions for adhesive interaction. Determination of tensile strength and the tensile modulus of elasticity showed that at 100 % filling density the samples made of wood-polymer composition are inferior to the samples made of PLA, however, they exceed in comparison with the samples made of acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic. The results of a thermal imaging study made it possible to detect a rapid decrease in the temperature of the model layers from the levels arising at the exit of the nozzle to the values of the model middle zone and to divide the thermal zones onto three levels and acknowledged the similarity with the samples made of PLA filaments.
For citation: Govyadin I.K., Chubinsky A.N. The Study of PLA-Based Wood-Polymer Composite Properties. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 2, pp. 129–145. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-129-145

Keywords: wood-polymer composition, FDM-printing, wood flour, polylactide, woodpolymer filament for FDM-printing, wood-polymer filament properties.

Поступила 29.09.19 / Received September 29, 2019