| 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
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. |