基于狼尾草纤维的3D打印复合线材制备与工艺优化

吴庆定，唐小杰，李 佩，张嘉文，郝 飒，刘克非

（中南林业科技大学 材料成形技术研究所，湖南 长沙 410004）

狼尾草是一类多年生高大草本植物，具有生长速度快、同化CO2能力强、生物质产量高等特点，是一类不可多得的碳汇资源，对常德市等地的“海绵城市”建设、长沙县在全国首创“零碳县”做出了重要贡献[1-4]。但这类碳汇资源如果得不到高值清洁利用或利用途径不佳，对于CO2的吸收固化只能是暂时的，会很快以多种温室气体的形式重新回到大气中，甚至给大气、水资源、土壤带来新的污染[5-7]。笔者根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》农业领域“农林生物质综合开发利用”优先主题，开展了狼尾草等草本植物类廉价碳汇资源的高值清洁利用研发工作，并取得系列成果[8-12]。

本研究为拓展狼尾草的高值清洁利用领域，丰富FDM 3D 打印耗材品种，以狼尾草纤维为基材，经改性后与聚乳酸复合，采用双螺杆挤出法制备1.75 mm 规格3D 打印狼尾草/PLA 木质复合线材，并对其制备工艺进行优化，对其组织结构形貌等进行表征，探索其在家居/办公家具摆件、汽车驾驶室用饰条/饰件、各类机电设备操控手柄等领域的应用前景。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验基材

狼尾草纤维，由采集于常德市穿紫河流域的狼尾草加工获得。首先将狼尾草除杂、晒干、切碎，然后粉碎制备成含水率为12%～15%的60目（＜0.25 mm）狼尾草纤维。

1.1.2 试验辅材

聚乳酸（PLA），透明颗粒，采购于宁波环球塑料制品有限公司；氢氧化钠（NaOH），AR 级，采购于国药集团化学试剂有限公司；硅烷偶联剂（KH550），AR 级，采购于上海耀华化工厂；聚乙二醇（PEG-1500），AR 级，采购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器设备

试验用主要仪器设备包括：粉粹机、双辊混炼机、双螺杆挤出机、扫描电镜，详情列于表1。

表1 主要试验仪器设备Table 1 Main test instruments and equipment

1.3 试验方法

基于单因素试验结果，应用响应面法（Design expert）确定狼尾草纤维的最优碱处理工艺参数，并通过加入偶联剂KH550、聚乙二醇等对经碱处理后的狼尾草纤维进行二次改性；采用混炼法制备狼尾草纤维/PLA 复合材料，经破碎、筛分获得可供挤压成形制备狼尾草/PLA 木质复合线材的颗粒料；采用有限元法对狼尾草/PLA 木质复合线材挤出熔融段流场进行数值模拟，分析其初始加热温度、螺杆转速以及机筒温度等参数对线材挤出过程的影响，获得狼尾草/PLA 木质复合线材挤出成形最优工艺条件；借助双螺杆挤出机制备的1.75 mm规格狼尾草/PLA 木质复合线材；通过3D 打印实践，获取1.75 mm 规格狼尾草/PLA 木质复合线材3D 打印工艺参数推荐值；借助扫描电子显微镜分析改性狼尾草纤维与狼尾草/PLA 木质复合线材的形貌与断裂特征，综合评价狼尾草/PLA 木质复合线材的应用前景。

1.3.1 响应面法

依据响应面法中心组合原理（Box-Benhnken），以碱处理单因素试验结果为中心值（碱液浓度3%，碱处理温度55℃，碱处理时间4 h），获得的碱处理响应面试验设计因素及水平见表2。

表2 工艺参数响应面试验设计因素及水平Table 2 Response surface design factors and levels of process parameters

1.3.2 有限元法

1.3.2.1 流道模型

狼尾草/PLA 木质复合线材的挤出成形借助渐变式三段式螺杆实现（图1），螺杆由右段（输送段）、中段（熔融段）和左段（计量段）三段构成，右段为熔融段输送物料，物料在中段实现熔融，螺杆根径沿物料挤出方向渐变增粗，物料经由中段后进入左段实现计量，进而实现物料的定量定温挤出。螺杆各段几何参数见表3，本研究重点分析中段流场。

图1 螺杆结构Fig.1 Screw configuration

表3 螺杆几何参数Table 3 Geometric parameters of screw

根据螺杆几何参数借助FLUENT 软件中的Geometry 模块构建中段流体域几何模型，并基于Mesh 模块对流体域模型进行网格划分，进而实现流体域的螺杆和机筒的网格构建（图2），其节点数共计184 856，网格数量为968 330。

图2 流体域网格模型Fig.2 Mesh model of fluid domain

1.3.2.2 试材的物理性能

以狼尾草/PLA 复合材料熔融物料为对象分析其流场时，须确定其密度和黏度。把狼尾草/PLA复合熔融物料定义为不可压缩的非牛顿流体，因其雷诺数较低，将流动模型设置为层流模型，根据实际作业过程以及试材的物理性能在FLUENT中设定参数，结果见表4。

表4 试材的物理性能Table 4 Physical property of test materials

1.3.2.3 边界条件

为提高数值模拟的收敛性，实现狼尾草/PLA复合材料挤出成形工程在FLUENT软件中的仿真，设置边界条件如下：

1）入口：选定mass flow inlet，入口物料温度为423.15 K（150℃），物料流量为0.023 kg/s。

2）出口：选定pressure outlet，出口物料压力为2 MPa。

3）机筒内壁面：机筒壁面设置为stationary wall，机筒温度为443.15 K（170℃），热流密度为27 kw/m2。

4）螺杆表面：设置为Rotate moving wall，螺杆旋转中心为（0，0，0），螺杆旋转方向为（0，0，-1），螺杆转速为2 rad/s；

5）动量和能量采用一阶迎风离散法，能量曲线为1e-6，残差曲线精度为0.001。

1.3.3 3D 打印实践

3D 打印作品质量的影响因素除材质外，主要与填充率、层高、打印速度和温度等主要工艺参数相关，不同的打印参数组合对3D 打印作品的强度、硬度、表面粗糙度等会产生不同程度的影响。

通过ProE 软件设计静曲强度与冲击韧性试件，将其转化为stl 格式后导入Cura 分层离散软件，在不同填充率、层高、温度与打印速度组合条件下，应用1.75 mm 狼尾草/PLA 复合线材打印试样，对其静曲强度、冲击韧性、表观硬度和表面粗糙度进行测试分析，其打印参数设置见表5。

表5 打印参数Table 5 Print parameters

2 结果与分析

2.1 狼尾草纤维碱处理响应面试验优化分析

狼尾草纤维碱处理工艺优化响应面试验设计与分析结果见表6～8，工艺参数交互作用影响效果三维图见图3～4。从表6～8、图3～4不难发现，碱处理工艺参数间的交互作用明显，各工艺参数对试件静曲强度和拉伸强度的影响显著，响应面图可见明显穹顶极值。不论静曲强度还是拉伸强度，其方差分析模型P项均＜0.000 1，说明其模型显著；其复相关系数R2分别为0.999 1、0.999 4，均＞0.8，说明该分析模型拟合度好，可很好地分析预测试件静曲强度和拉伸强度的响应值；与试件静曲强度和拉伸强度对应的离散系数分别为1.80、0.59，均＜2，说明试验的精度与可信度高。

表6 试验设计与试验结果Table 6 Experimental design and results

表7 静曲强度方差分析Table 7 Variance analysis of bending strength

表8 拉伸强度方差分析Table 8 Variance analysis of tensile strength

图3 碱处理工艺参数对狼尾草/PLA 木质复合线材静曲强度的影响Fig.3 Effect of process parameters on bending strength of pennisetum-based composites

图4 碱处理工艺参数对狼尾草/PLA 木质复合线材拉伸强度的影响Fig.4 Effect of process parameters on tensile strength of pennisetum-based composites

根据响应面试验设计与分析结果，以静曲强度与拉伸强度为响应值对狼尾草纤维碱处理工艺参数进行优化，获得的狼尾草纤维碱处理优化工艺为：碱液浓度3.47%，碱处理温度59.97℃，碱处理时间4.23 h。考虑到试验实际操作的方便和可行性，将优化结果圆整为：碱液浓度3.5%，碱处理温度60℃，碱处理时间4.2 h。其试验验证结果与试验模型预测值基本相符（表9），说明通过响应面法确定的狼尾草纤维碱处理工艺可行、可靠。

表9 最佳工艺参数优化及试验验证结果Table 9 Process parameter optimization and test verification results

2.2 工艺参数对狼尾草/PLA 复合线材挤出过程的影响

2.2.1 熔融过程分析

借助物料熔融体分数云图来描述狼尾草/PLA复合材料在挤压成形过程中的状态，拟用0、1 和0～1 分别表示狼尾草/PLA 复合材料处于固态、熔融态和糊状[13]。从物料的输入到输出口正交于挤出方向的各个面熔融体分数分布云图如图5所示。最先熔融的为螺棱和机筒之间的物料，之后螺棱与机筒间隙间以及内壁面上的物料会随着螺杆螺旋推进距离Z值的增加，熔融程度不断增大，由于从机筒传来的热量导致螺杆的温度升高，而螺杆的表面和螺棱的侧面物料开始出现熔融，其中熔融程度与出口方向距离呈正相关。完全熔融部位顺序为：螺棱和机筒间隙——机筒表面——螺杆推进面——螺杆表面——整个落槽。

图5 熔融体分数云图IFig.5 Melt fraction nephogram I

从各截面狼尾草/PLA 复合材料熔融体分数云图不难发现，狼尾草/PLA 复合线材的挤压成形过程实质是狼尾草/PLA 复合材料在螺棱面及筒壁内面从入口到出口不断流变的过程，狼尾草/PLA 复合材料的熔融程度不断加深，最终积累变成粘流态。

2.2.2 压力场及温度场分析

图6、图7分别为狼尾草/PLA 复合线材挤压成形过程的压力场和温度场分布。Z值与面积加权平均压力值呈负相关，说明挤压螺杆旋转过程受到的压力随着Z值的增大逐渐降低；而Z值与面积加权平均温度值呈正相关，挤压螺杆的温度随着Z 值的增大逐渐升高。

图6 压力场分析Fig.6 Pressure field analysis

图7 温度场分析Fig.7 Temperature field analysis

2.2.3 螺杆转速与流道初始温度对熔融的影响

将狼尾草/PLA 复合材料流道初始温度设置为423.15 K（150℃），出口温度设置为443.15 K（170℃），在不同螺杆转速下获得的狼尾草/PLA 复合材料熔融体分数云图如图8所示。从图8中不难发现，当挤压螺杆转速从2 rad/s 上升至8 rad/s 时，出口处狼尾草/PLA 复合材料熔融体的分数增加，随之其熔融程度增大；而当挤压螺杆转速达到10 rad/s 时，狼尾草/PLA 复合材料的熔融程度不再变化，挤压螺杆转速与狼尾草/PLA 复合材料受到的剪切力呈正相关；挤压螺杆转速越高，狼尾草/PLA 复合材料的黏性耗散热越大，不仅会使其熔融加速、熔融程度增大，还会使其完全熔融区域扩大，但当挤压螺杆转速提升到一定值时会受到制约[14]。

图8 熔融体分数云图IIFig.8 Melt fraction nephogram II

将挤压螺杆转速设置为8 rad/s，狼尾草/PLA复合线材出口温度设置为443.15 K（170℃），在不同初始温度下获得的狼尾草/PLA 复合材料熔融体分数云图如图9所示。从图9可看出，当初始流道温度从423.15 K（150℃）上升到438.15 K（165℃）时，挤压系统同一面上的狼尾草/PLA复合材料的熔融程度随着温度的升高而增大；而当温度继续上升时，狼尾草/PLA 复合材料的熔融程度不再增大。说明挤压系统初始流道温度与熔融程度呈正相关，但当温度升高到一定值时狼尾草/PLA 复合材料熔融体分数云场图基本保持不变，据此可将挤压系统初始流道温度设定为438.15 K（165℃）。

图9 熔融体分数云图IIIFig.9 Melt fraction nephogram III

2.2.4 机筒温度对狼尾草/PLA 复合材料熔融的影响

将挤压成形系统流道初始温度设置为438.15 K（165℃），螺杆转速设置为8 rad/s，获得的不同机筒温度下熔融体分数云图与温度云图见图10～11。从图10～11可知，随着机筒温度即出口温度从443.15 K（170℃）上升至453.15 K（180℃）时，出口处的熔融物料增加。当温度升至453.15 K（180℃）时，影响热传导的主要因素为机筒温度，温度升高，物料温度相差大，则热传导加快。物料达到完全熔融状态后再继续提高温度意义不大，因此可将机筒温度定为453.15 K（180℃）。

图10 熔融体分数云图IVFig.10 Melt fraction nephogram IV

图11 熔融体分数云图VFig.11 Melt fraction nephogram V

上述分析表明，狼尾草/PLA 木质复合线材挤出成形最优工艺条件可认定为：流道初始温度为438.15 K（165℃），螺杆转速为8 rad/s，机筒温度为453.15 K（180℃）。

2.3 狼尾草/PLA 复合线材3D 打印工艺参数分析

3D 打印主要工艺参数包括填充率、层高、打印速度与温度，不同的打印参数组合对3D 打印作品的强度、硬度、精度与表面质量等会产生不同程度的影响。以1.75 mm 狼尾草/PLA 复合线材为耗材，获得的3D 打印试件性能随工艺参数变化趋势如图12～15所示。

2.3.1 填充率对试件性能的影响

填充率是指3D 打印过程中耗材体积占打印试件总体积的百分比。从图12可看出，将层高、打印速度和打印温度分别设为定值0.3 mm、20 mm/s和200℃的条件下，当填充率从20%增至100%时，试件的静曲强度与冲击韧性均有明显提高，静曲强度的最低值与最高值分别达到了45.2、82.1 MPa，而冲击韧性的最低值与最高值分别达到了11.5、18.3 kJ·m-2，增幅分别高达82%、60%；试件的肖氏硬度随着填充率的增大虽呈增长趋势，但增幅不足5%，最低值与最高值分别为76.9、80.5 HS；试件的粗糙度随着填充率的增大呈微弱先增后降的趋势，在填充率为60%时获得最高值7.3 µm，与填充率100%时的粗糙度最佳值6.1 µm 仅相差1.2 µm，影响甚微。为确保层高、速度、温度试件的表面质量与足够高的强度及硬度，同时也基于试验成本考虑，后续试验宜将试件打印填充率设定为60%，这与相关文献研究结论不谋而合[15]。

图12 填充率对试件性能的影响Fig.12 Effect of filling rate on specimen performance

2.3.2 层高对试件性能的影响

层高是指3D 打印机热熔喷头完整的走完一层实现的试件高度。图13表明，将填充率、打印速度和打印温度分别设为定值60%、20 mm/s和200℃的条件下，随着打印层高的增厚，试件的静曲强度与冲击韧性呈先降后增的趋势，当层高从0.1 mm 加厚至0.2 mm 时，试件的静曲强度与冲击韧性均明显降低；然后随着层高的增厚，试件的静曲强度与冲击韧性不降反升，增幅达到了15%～16%。打印层高对试件的硬度影响不大，波动幅度不足5.3%；打印层高低于0.3 mm 时，对试件粗糙度的影响规律与硬度相似，仅在5.5～7.3 mm 范围波动，试件精度与表面质量较高；但当层高厚于0.3 mm 时，试件的粗糙度会随层高的加厚大幅攀升，增幅达115%，导致试件精度与表面质量明显降低（图13）。

图13 层高对试件性能的影响Fig.13 Effect of layer height on specimen performance

相关文献指出，打印层高加厚会导致材料堆积层高加大，试件打印层数减少，层与层之间的薄弱面数量减少；但当打印层高进一步加厚时，打印难度会明显增大，试件容易出现分层，最终会导致成品率降低[16]。为获得表面质量佳、强度及硬度较高的打印速度与温度试件，同时也为提高试件成品率，后续试验宜将试件打印层高设定为0.3 mm。

2.3.3 打印速度对试件性能的影响

打印速度是指3D 打印机热熔喷头在打印过程中的移动速度。图14表明，将填充率、打印层高和打印温度分别设为定值60%、0.3 mm 和200℃的条件下，当打印速度从20 mm·s-1增加到60 mm·s-1时，对试件的静曲强度与硬度影响甚微，而试件的冲击韧性与粗糙度则呈先降后增的趋势。打印速度为40 mm·s-1时，试件的冲击韧性获得最低值，但也达到了打印速度为20 mm·s-1时的最大值（15.2 kJ·m-2）的90%；打印速度为40 mm·s-1时，试件的粗糙度最小，约为打印速度为20 mm·s-1时的95%，处于同一水平。虽然打印速度对试件的性能影响不大，但打印速度过快会导致熔融态材料铺展不均匀，出现拉丝等现象，影响试件打印的质量[16]。综合考虑，后续试验宜将试件打印速度设定为30 mm·s-1。

图14 打印速度对试件性能的影响Fig.14 Effect of printing speed on specimen performance

2.3.4 打印温度对试件性能的影响

3D 打印过程涉及的温度包括喷嘴温度、平台温度、夹具温度和环境温度等众多参数。这些参数均会不同程度地影响打印耗材的流变性能、冷却进程与打印作品尺寸收缩及表面质量。本研究中打印温度特指喷嘴温度，其他温度参数遵循3D打印设备与软件建议适配。

图15表明，将填充率、打印层高和打印速度分别设为定值60%、0.3 mm 和30 mm·s-1的条件下，试件的静曲强度随着打印温度的升高呈波动下降的趋势；当打印温度从190℃升高到200℃时，试件的静曲强度降幅达15%；当打印温度从200℃升高到210℃时，试件的静曲强度出现明显反弹，达到71.5 MPa，接近190℃时的水平；但当打印温度从210℃继续升高到230℃时，试件的静曲强度又出现明显下降，降幅接近30%。

图15 打印温度对试件性能的影响Fig.15 Effect of printing temperature on specimen performance

从图15可发现，试件的冲击韧性随着打印温度的升高呈小幅近线性增长，增幅约10%；试件的硬度随着打印温度的升高呈先增后降的趋势，在210℃时获得极大值；试件的粗糙度随打印温度的升高其变化趋势与硬度相反，呈小幅先降后增的趋势，在210℃时获得最小粗糙度（6.7 µm）。

打印温度过低，会导致打印耗材因熔融不充分，从而使喷料不畅阻塞喷头；而打印温度过高，会导致熔融耗材粘度过低，甚至降解，进而影响作品的性能与外观质量，甚至导致打印故障。因此，狼尾草/PLA 复合线材的打印温度建议设定为210℃。

综上所述，1.75 mm 规格狼尾草/PLA 复合线材应用于3D 打印实践时，工艺参数推荐值为：填充率60%，层高0.3 mm，打印速度30 mm/s，打印温度210℃，其他参数按3D 打印设备使用说明及软件系统推荐值勾选。

2.4 狼尾草/PLA 复合线材断口形貌分析

图16为狼尾草/PLA 复合线材及其基材（狼尾草原纤维和狼尾草改性纤维）的10 000 倍SEM断口形貌照片。从图16可看出，未经碱处理的狼尾草原纤维断口碎裂严重；经碱处理过的狼尾草改性纤维断口柔而不碎，有网状组织，表明经碱处理去除部分半纤维素、灰分等组分后的狼尾草纤维，其纹孔得以打开，与PLA的亲和力得以增强，变得柔韧、蓬松，为后续复合打造强韧化狼尾草/PLA 复合处理奠定了基础；而狼尾草/PLA 复合线材断口塑化明显，组织均匀，具有韧性断裂特征，这就很好地解释了1.75 mm 规格狼尾草/PLA 复合线材具有较高冲击韧性的成因。

图16 狼尾草纤维及其复合材料断口形貌（SEM×10 000）Fig.16 SEM fracture morphology of pennisetum fiber and its composite

3 结论与讨论

3.1 结 论

为拓展狼尾草的高值清洁利用领域，丰富FDM 3D 打印耗材品种，制备具有木质感的3D 打印复合线材及其3D 打印作品，以狼尾草纤维为基材，经改性后与聚乳酸复合，采用挤出法制备1.75 mm 规格3D 打印狼尾草/PLA 复合线材，并通过3D 打印实践优化3D 打印工艺参数；借助Design Expert 软件优化狼尾草纤维改性碱处理工艺；利用ANSYS FLUENT 软件对狼尾草/PLA 复合线材挤出熔融段流场进行数值模拟，分析其初始加热温度、螺杆转速和机筒温度等工艺参数对线材挤出过程的影响，进而优化线材挤出工艺；借助扫描电子显微镜分析狼尾草/PLA 复合材料断口形貌特征，解析其强韧化成因。主要结论如下：

1）狼尾草纤维最优碱处理碱液浓度、处理温度、处理时间分别为：3.5%、60℃、4.2 h；

2）狼尾草/PLA 复合线材挤出成形最优流道初始温度、螺杆转速、机筒温度分别为165℃、8 rad/s、180℃；

3）狼尾草/PLA 复合材料的SEM 断口形貌具有韧性断裂特征，得益于碱处理奠定的基础。碱处理后的狼尾草纤维随着部分半纤维素、灰分等组分的去除，其纹孔得以打开，与PLA 的亲和力得以增强，进而赋予狼尾草/PLA 复合线材良好的冲击韧性；

4）制备的1.75 mm 规格狼尾草/PLA 复合线材应用于3D 打印实践时，打印工艺参数推荐值为：填充率60%，层高0.3 mm，打印速度30 mm/s，打印温度210℃，其他参数按3D 打印设备说明及软件系统推荐值勾选；

5）1.75 mm 规格狼尾草/PLA 复合线材及其3D 打印试件强度高，韧性好，木质感强，可用于各种家居及办公家具摆件、汽车驾驶室用饰条与饰件、各类机电设备操控手柄等产品的生产，应用前景广阔。

3.2 讨 论

近年来，从事生物质3D 打印复合线材研究的国内外学者很多。例如：毕永豹[17]制备出了环保型3D 打印麦秸粉末/PLA 复合线材，在获得最佳成分配比与工艺参数的同时分析了紫外线吸收剂对复合材料性能的影响，并对打印方式与技术参数对复合材料的依存作用进行了研究；Tao 等[18]在PLA 中添加5%的改性木粉制备FDM 3D 打印耗材，收到了良好的力学性能效果。刘晓帅[19]基于竹粉与聚乳酸，通过增塑混炼制备出了3D 打印拉伸强度和冲击韧性较好的新型耗材并进行了3D打印测试；杨兆哲[20]借助接枝改性与增韧，系统研究了杨木粉/PLA 复合材料的制备、增韧机理，制备出了符合使用要求的杨木粉/PLA 3D 打印材料。寇林峰[21]为降低制造成本，用能源草代替杨木粉等制备FDM 3D 打印线材，这一举措在提升能源草工业价值的同时，使得线材的价值和3D 打印作品的质感都得到了提升。解光强[22]结合3D打印方式探讨木塑复合材料的制备过程，研发出了3D 打印木粉/PLA 复合线材，并对其增塑剂种类、挤出螺杆参数、挤出温度、耐候性等进行了研究；刘凌霄[23]以各类纸浆纤维、木粉、木质素和PLA 为原料，以KH550 硅烷偶联剂、PLA-g-MAH 马来酸醉接枝聚乳酸为助剂制备出了3D 打印复合材料，并对其3D 打印工艺参数进行了优化；董倩倩等[24]以PLA 为基材，制备出了打印效果良好的含15%松木粉、含5%二氧化硅的3D 打印木塑复合材料。

生物质3D 打印复合线材的研究主要基于绿色制造与可降解理念，集中在成分配比、制备工艺、强韧化机理与应用技术等方面。本研究基于拓展狼尾草的高值清洁利用领域，主要针对狼尾草/PLA 复合线材的制备工艺与应用技术开展研究，收到了添砖加瓦的效果。今后的努力方向应专注于生物质3D 打印复合线材的生物质组分的形态（如液化木材）与添加份额。