基于聚乳酸的3D打印水处理反应器设计与吸附性能研究

摘 要：【目的】研究打印层厚、打印速度、打印温度和填充密度对聚乳酸（PLA）试件拉伸强度的影响，以及基于聚乳酸的3D打印水处理反应器的吸水率及对亚甲基蓝的吸附能力。【方法】利用UG三维建模软件，设计出打印力学试件的三维模型，采用正交试验进行打印，并进行数据分析。以最优打印参数打印得到PLA镂空立方体材料（水处理反应器），测试其吸水率及对亚甲基蓝去除率。【结果】测试结果表明，当打印分层厚度为0.3 mm、打印速度为70 mm /s、打印温度为210 ℃、填充密度为40%时，试件具有最优的拉伸强度。以最优打印参数打印得到PLA镂空立方体材料（水处理反应器）的吸水率为12.79%，亚甲基蓝去除率为76.10%。【结论】由3D打印得到的镂空PLA水处理反应器对亚甲基蓝具有较强的吸附能力，在污染水处理领域具有较大的应用潜力。

关键词：3D打印；聚乳酸；亚甲基蓝；吸附

中图分类号：O69" " " " " "文献标志码：A" " " 文章编号：1003-5168（2024）10-0084-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.017

Design and Adsorption Performance Study of 3D Printing Water Treatment Reactor Based on Polylactic Acid

WANG Yun LI Chunxing HUANG Shiyu LI Zhijie WANG Mingqiang HU Xiaoxi

（Guangdong Songshan Polytechnic，Shaoguan 512126，China）

Abstract： [Purposes] The influence of layer thickness， printing speed， printing temperature， and infill density on the tensile strength of polylactic acid （PLA） specimens was investigated. The water absorption and methylene blue adsorption of the 3D printing water treatment reactor based on PLA were studied. [Methods] Utilizing UG three-dimensional modeling software， a three-dimensional model for printing mechanical test specimens was designed. The orthogonal test was used to print and analyze the data. The PLA hollow cube material （water treatment reactor） was printed with optimal printing parameters to test water absorption and methylene blue removal. [Findings] The results indicated that optimal tensile strength was achieved when the printing layer thickness was 0.3 mm， printing speed was 70 mm/s， printing temperature was 210 °C， and infill density was 40%. The study revealed that the water absorption rate of this PLA water treatment reactor is 12.79%， with a methylene blue removal rate of 76.10%. [Conclusions] This suggests that the hollow PLA water treatment reactor obtained through 3D printing possesses significant adsorption capability for methylene blue， indicating substantial potential for application in the field of contaminated water treatment.

Keywords： 3D Printing; polylactic acid; methylene blue; adsorption

0 引言

3D打印，也称增材制造，是一种利用数字模型文件通过逐层堆积材料来构造三维对象的技术。其具有灵活性高、可设计性高和效率高等特点，在诸多领域得到了广泛应用，包括医疗、航空航天、汽车工业和环境科学等［1-2］。在3D打印过程中，成形件的精度、强度和质量会受到打印层厚、速度、温度等因素的影响，可通过调整不同的打印条件并测试试件的力学性能来获得最佳的3D打印参数［3］。在众多可用于3D打印的材料中，常用的一种是聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）。聚乳酸是一种生物降解性的聚合物，由可再生资源（如玉米、淀粉或蔗糖等）制成［4-5］。聚乳酸材料具有诸多优点，如良好的生物相容性、拉伸性、可加工性、回弹性和机械性能，是3D打印的理想材料［6-7］。此外，聚乳酸可用于制备具有良好吸附性能的污水处理器，使其有效吸附工业废水中的有害物质，如亚甲基蓝有机染料、重金属离子等。然而，已有的基于聚乳酸材料制备的水处理吸附器仍存在吸附效率较低等问题［8-11］。当前，关于利用3D打印技术设计PLA污水处理器的研究较少，因此，有必要开发一种高效的基于聚乳酸的3D打印水处理反应器。

本研究利用聚乳酸作为3D打印线材，首先探究得到最佳的3D打印条件；其次将PLA打印为镂空立方体模型，作为一种高效的吸附亚甲基蓝水处理反应器；最后深入研究PLA 3D打印水处理反应器的吸水性能和对水中亚甲基蓝的吸附能力，以评估其在实际工业污水处理中的应用潜力。

1 试验部分

1.1 原料和仪器

柔性PLA丝材： 直径为1.75 mm，珠海天威泛凌贸易有限公司。亚甲基蓝（分析纯），上海阿拉丁生化科技有限公司。3D打印机：型号RAISE3D，珠海天威控股有限公司。万能材料试验机：型号INSTＲON3365，美国英斯特朗公司。

1.2 PLA拉伸试样的设计及拉伸性能测试

以PLA材料3D打印得到的标准拉伸试样条，在万能试验机的拉伸作用下，断裂时所测得到的最大拉伸应力即为PLA试样的拉伸强度。最大拉伸强度的试样条所对应的3D打印条件可确定为最佳打印条件。使用UG软件设计简易拉伸试样模型，其尺寸为150 mm×20 mm×4 mm（如图1所示）。根据确定的拉伸试样基本尺寸，并转为STL格式，用3D打印机自带的切片软件进行切片处理，将其转换为3D打印机可以识别的格式，导入3D打印机。采用熔融沉积打印技术，把柔性PLA丝材放至3D打印机中，设置3D打印温度范围为200～220 ℃，分层厚度为0.2～0.3 mm，打印速度为70～80 mm/s，填充密度在20%～40%之间。按照《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》（GB/T 1040.2—2006），将打印得到的条形试样放入万能试验机，进行拉伸强度测试，拉伸速度为2 mm /min。

以分层厚度（A）、打印速度（B）、打印温度（C）和填充密度（D）按照4因素3水平的正交试验方法进行设定，正交试验设计因素见表1。采用3D打印机打印得到9组PLA拉伸试样，每组3个平行试样（如图2所示）。并采用万能试验机测量每组试样的拉伸强度值。

1.3 PLA镂空立方体模型的设计及其吸附测试

用UG软件设计出PLA镂空立方体水处理反应器模型（20 mm×20 mm×20 mm）如图3所示，PLA镂空立方体3D打印模型的切面如图4所示。在镂空立方体模型的内部存在许多方形的空洞。采用最佳打印参数打印出PLA镂空立方体模型，并测试其吸水性及亚甲基蓝吸附能力。

将镂空立方体PLA水处理反应器放入50 ℃干燥箱中干燥24 h，冷却至室温后，称量其重量。然后将PLA水处理反应器放入蒸馏水中，浸泡吸水24 h后取出，称量其重量。根据式（1）计算得到PLA 3D打印水处理反应器的吸水率。

w=[m2-m1m1]×100%" （1）

式中：w为吸水率；m1为试样吸水前的重量；m2为试样吸水后的重量。

配置质量浓度分别为1、2、4、8、10、20 mg/L的20 mL亚甲基蓝溶液，用紫外分光光度计测量在波长为664 nm处的吸光度。根据亚甲基蓝溶液的浓度和测试得到的吸光度值，进行origin绘图，线性拟合即可得到亚甲基蓝的标准曲线，如图5所示。

将镂空的PLA 3D打印水处理反应器放入100 mg/L的亚甲基蓝溶液中，吸附24 h后取出，测试其吸光度。由亚甲基蓝标准曲线方程计算得到稀释后的亚甲基蓝浓度。根据式（2）计算得到PLA 3D打印水处理反应器对亚甲基蓝的去除率。

R=[C0-C1C0]" （2）

式中：R为亚甲基蓝的去除率；C0为亚甲基蓝的初始浓度；C1为PLA吸附器吸附24 h后剩余亚甲基蓝的浓度。

2 结果与讨论

2.1 3D打印工艺参数对PLA试件拉伸强度的影响

3D打印工艺参数对PLA试件拉伸强度的影响见表2。通过正交试验极差结果分析（见表3），得到最佳工艺方案为A3、B1、C2、D3，即最佳的3D打印参数是：分层厚度为0.3 mm，打印速度为70 mm/s，打印温度210 ℃，填充密度为40%。

试验结果也表明，分层厚度（A）对3D打印PLA试件的拉伸强度影响最大。分层厚度直接关系到打印试样每一层的精细程度，较小的分层厚度可以提高打印物体表面的光滑度和细节表现，从而提高拉伸强度。更细小的层高通常能够提供更好的层间黏合度，增加试件的整体强度。

填充密度（D）对试样的力学性能影响程度次之。填充密度指的是3D打印物体内部的充填程度。较高的填充密度可以增加物体的密度和强度，但也会增加打印时间和材料的使用。适度的填充密度可以提供更好的强度，过高的填充密度可能会导致试件过重和成本过高。

打印速度（B）对试件的力学性能影响程度居于第三位。打印速度影响着打印过程中每一层的冷却时间和材料沉积速度。较高的打印速度可能导致层间黏合不足，从而影响拉伸强度。因此，适度的打印速度是保证质量的关键。

打印温度（C）对试件的力学性能影响最小。PLA是一种相对容易打印的材料，其熔融温度较低，一般在190～220 ℃之间。在适当的打印温度下，PLA能够良好地黏附并形成均匀的层。在推荐温度范围内，温度的微小变化可能对力学性能的影响相对较小，因此温度对试样的性能影响最小。

2.2 PLA 3D打印水处理反应器的吸水性能研究

以PLA为打印材料，设置3D打印机的参数：打印层厚为0.3 mm，打印速度为70 mm/s，打印温度为210 ℃，填充密度为40%，打印得到镂空的PLA 3D打印水处理反应器。称量得到干燥的PLA反应器的重量为6.387 4 g，水中浸泡24 h后称量得其重量为7.204 2 g，根据式（1）计算得到PLA 3D打印水处理反应器的吸水率为12.79%。说明此PLA 3D打印水处理器具有吸水性能。这是因为3D打印材料聚乳酸分子中含有亲水性的羧基等基团。

2.3 PLA 3D打印水处理反应器对亚甲基蓝的吸附性

将镂空的PLA 3D打印水处理反应器放入100 mg/L的亚甲基蓝溶液中，吸附24 h后取出，将剩余亚甲基蓝溶液稀释1倍，测得其吸光度为2.069，由亚甲基蓝标准曲线方程（如图4所示）计算得到稀释后的亚甲基蓝浓度为11.951 mg/L，因此剩余的亚甲基蓝溶液浓度为23.902 mg/L。由式（2）计算得到PLA 3D打印水处理反应器对亚甲基蓝的去除率为76.10%，说明由3D打印得到的镂空的PLA 3D打印水处理反应器对亚甲基蓝具有较强的吸附能力（如图6所示）。

PLA水处理反应器具有较高的亚甲基蓝去除率，是因为PLA分子结构中包含有羟基（-OH）羧基（-COOH）等官能团，这些官能团使聚乳酸表面具有亲水性，有利于与水中的亚甲基蓝分子发生相互作用［12］。运用3D打印制造得到的PLA 3D打印水处理反应器表面呈现出复杂的镂空结构，增加了内表面积，提高了亚甲基蓝与反应器之间的接触面积。这种多孔镂空结构为亚甲基蓝分子提供了更多的吸附位点，有助于在反应器表面上形成更强的吸附作用。此外，聚乳酸本身具有一定的负电性，而亚甲基蓝通常带有正电荷。这种正负电荷之间的电荷相互吸引力也有助于亚甲基蓝分子在PLA 3D打印水处理反应器表面上的吸附。

3 结论

本研究利用3D打印技术，以聚乳酸作为线材，打印得到PLA试件，研究得到最佳的打印参数：分层厚度为0.3 mm，打印速度为70 mm /s，打印温度为 210 ℃，填充密度为40%。以最优打印参数打印得到的PLA水处理反应器吸水率为12.79%，其对亚甲基蓝吸附率为76.10%，说明由3D打印得到的镂空PLA水处理反应器对亚甲基蓝具有较强的吸附能力，有望设计成为高效的亚甲基蓝污水处理器，在污染水处理领域具有较大的应用潜力。

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（栏目编辑：陈萌萌）