天然纤维生物复合材料在3D和4D打印中的应用

天然纤维生物复合材料在3D和4D打印中的应用

2020-12-10 8

在《材料与设计》杂志上发表的一篇题为“天然纤维生物复合材料的3D和4D打印概述”的文章中,研究人员回顾了天然材料的引人入胜的发展及其在数字制造中的有效性。


通常,当一种材料需要额外的强度或某些其他物理特性以使其尽可能有效时,就会生成复合材料。在FFF 3D打印方面,可以使用许多不同的复合材料来改善机械性能方面的挑战。然而,即使创建了很有前途的复合材料,研究仍在继续发现有关粘附性,孔隙率和各种潜在缺陷等问题的担忧。


随着天然纤维的添加,材料为3D和4D提供了许多好处-从改善机械性能到因环境变化而导致的形状变化(根据需要)。天然纤维的使用对环境更友好,但是在选择正确的材料并考虑灵敏度,温度,湿度,总体成分和变异性时,通常需要更复杂的知识。如果目标是制造高性能零件,则复合材料应由不变的,稳定的纤维组成,并具有尽可能少的孔隙率或潜在的缺陷。天然纤维取决于化学组成,并且是各向异性的。


研究人员说:“它们的微观结构,组成和特性之间的关系是自然优化的生物材料的典型代表。” “例如,为植物提供稳定性的韧皮纤维(例如大麻,亚麻)比专门用于能量消散的水果纤维(例如椰壳纤维)具有更高的刚度和强度。”


由于材料的选择对于在3D打印的部件中获得理想的结果非常重要,因此必须提前检查诸如非线性行为之类的问题。Shah等人先前的研究。建议评估拉伸模量。用户还应该考虑界面处的应力传递,以确保合适的复合材料特性,例如:


纤维长度

直径

拉伸性能

界面剪切强度

由于天然纤维更为复杂,因此它们通常会捆在一起,并与中间层粘合:

“这种捆绑是工厂原始材料架构的结果。纤维束的鳞片在文献中通常被称为“工业纤维”。

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(a)正确(左)和错误(右)浸胶的单亚麻纤维表面的SEM显微照片。正确的胶凝会产生均匀的光滑表面,而正确的胶凝会导致粘附的多糖残留量较低(b)亚麻纤维表面的AFM图像,如果胶凝不正确会产生粗糙的表面。

在加工过程中将纤维束分开后,可以缩放单纤维。为了更好地与PLA等材料粘合,以前的研究人员已经成功地用水清洗了纤维。但是,已经注意到,当处理整个捆时,有效性是有限的。

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(a)在加工过程中将纤维束分成单根纤维的示例,突出显示了表面处理效果的降低[48],(b)在微粘结测试过程中亚麻细胞壁剥落的细节[39],表明界面最弱与纤维/基质界面相比,可能是细胞壁界面。

Filgueira等人认为,化学处理和使用粘度变化的聚合物可能会降低孔隙率和“厚度变化” 。使用“后续挤出”来减小纤维尺寸,孔隙率和粗糙度。这与其他许多研究论文相关,这些论文解释说增加的挤出可以实现更好的均质化,并减少天然纤维长度和纤维束分裂。

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随着PCL /可可壳废料(CSW)含量的增加,长丝表面粗糙度随纤维含量的变化而变化。纤维含量的增加导致长丝表面粗糙。

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(a)具有400μm长和38μm宽度的TMP纤维的挤出长丝的微观结构示例(b)以及随后两次TMP / bioPE生物复合材料的挤出。随后的挤出导致纤维更短,更好的均质化和更低的孔隙率含量。

检查的天然纤维包括:麻 亚麻 细屑 黄麻 木 木粉 澳洲坚果壳废料 哈雷克纤维 稻草 椰子 竹粉

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有关通过3D打印制造的天然纤维基生物复合材料的拉伸性能的文献综述。刚度(a)和强度(b)随纤维含量的变化;(c)刚度与3D打印纯聚合物,短纤维和连续纤维天然纤维复合材料以及常规制造的短纤维和连续纤维天然纤维复合材料(注射成型,压缩成型)强度的函数关系[29,56,58,68,74,75 ,[77],[78],[79],[80],[81],90,[96],[97],[98],[99],[101],[102],[103] ,[104],[105],110、111、116,[118],[119],[120],[121],[122],[123],[124],[125],[126],[127] ,[128],[129],[130],[131],[132],[133],[134],[135],[136],[137],[138],[139],[ 140],[141],[142],[143],[144],[145],[146],[147],[148],[149],[150]]。

除了Tarrès等人的示例。表明“用热机械纸浆(TMP)纤维增强的相容化bioPE在添加10%到20%的纤维时会显示出刚度和强度的增加”,在一般天然纤维中,很少发现能全面改善生物复合材料的机械性能。


当天然纤维用作生物相容性材料和废物的添加剂时,可能会更加有益-减少聚合物含量,因此使该工艺更实惠。它们还可以添加到“基于生物的内容”中,并在颜色和纹理方面进一步为美学做出贡献。然而,在这项研究中,研究人员指出,将天然纤维用于半结构化应用具有挑战性。


打印和切片选项也对生物复合材料产生巨大影响。这包括:

填充百分比

印刷图案

光栅角

印刷高度

印刷方向

印刷/床温

打印速度

先前的研究表明,木质生物复合材料在高温下仍具有良好的拉伸性能,而大麻/ PLA生物复合材料也可能更好。关于生物复合材料和印刷速度的研究很少,但是可能有证据表明更快的印刷可以防止天然纤维分解。

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与纯净ABS相比,黄麻纤维增强ABS的骨折面示意图[77]。对于黄麻/ ABS,观察到在一层内,更具体地说在黄麻纤维束内发生了粘结性断裂。骨折发生在纯ABS的层间区域。

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a)层高对木材的影响,分别为0.3、0.2和0.1毫米[126]。切片机设置的更高的层高会生成具有更高孔隙率的微结构。b)印刷的木材/ PLA生物复合材料的SEM显微照片,具有原始的长丝横截面,压缩的印刷样品和各种长丝厚度。

4D打印为材料的使用提供了新途径,特别是因为它们可用于变形以提高效率。作者指出,3D和4D打印都具有巨大的潜力,可以以“与合成材料类似的规模”扩大材料(尤其是生物复合材料)的使用。尽管不连续的纤维或粉末增强的聚合物倾向于用于3D打印,但与仍通过注塑或压模法获得的更好结果相比,拉伸性能可能仅被证明是令人满意的。但是,复合材料的刚度有所提高。


4D打印是一项引人入胜的技术,它超越了3D打印,它允许在环境中操纵更智能,更复杂的结构。尽管与传统的生产方法相比,致动性能仍未达到令人满意的水平。


研究人员说:“这是进一步研究的一个关键方面,因为纤维是主要的促动剂。”他继续解释说,天然纤维以及聚合物都有很大的潜力。


更好的质量和控制,以及改进的3D打印机,将来可能会增强驱动力。总体而言,研究人员发现,通过进一步开展涉及生态设计,仿生学,材料科学等方面的工作,使天然纤维生物复合材料面临的挑战“令人兴奋”。

内容来源自网络------


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