Thông tin tài liệu
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ polylactic axit (PLA) có khả ứng dụng công nghệ in 3D LÊ DUY HÙNG Ngành Kỹ thuật Hóa học Giảng viên hướng dẫn: TS Phùng Anh Tuân Viện: Kỹ thuật Hoá học HÀ NỘI, 2023 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ polylactic axit (PLA) có khả ứng dụng công nghệ in 3D LÊ DUY HÙNG Ngành Kỹ thuật Hóa học Giảng viên hướng dẫn: TS Phùng Anh Tuân Chữ ký GVHD Viện: Kỹ thuật Hóa học HÀ NỘI, 2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Lê Duy Hùng Đề tài luận văn: Nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ polylactic axit (PLA) có khả ứng dụng công nghệ in 3D Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số SV: 20202516M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 17/4/2023 với nội dung sau: Bổ sung chữ cái, chữ viết tắt; Rà soát lại tài liệu tham khảo, chỉnh sửa lại lỗi soạn thảo; Chuẩn lại theo Form luận văn ĐHBK Hà Nội Ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Phùng Anh Tuân Lê Duy Hùng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Bạch Trọng Phúc LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến tập thể cá nhân sau đây: Thứ nhất, em xin cảm ơn Thầy TS Phùng Anh Tuân – Trưởng Bộ mơn Cơng nghệ in – Viện Kỹ thuật Hố học, Đại học Bách Khoa Hà Nội; cán bộ, giảng viên Trung tâm vật liệu Polymer - Đại học Bách Khoa Hà Nội: Nguyễn Phạm Duy Linh, Vũ Minh Đức, Nguyễn Thanh Liêm; Quý Thầy/Cô Bộ mơn Cơng nghệ in Viện Kỹ thuật hóa học tận tình giúp đỡ, chia sẻ kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi q trình nghiên cứu hồn thành đề tài Thứ hai, xin cảm ơn cán Phịng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu tiên tiến ứng dụng phát triển xanh (KLAMAG) - Đại học khoa học tự nhiên); Viện Nhiệt đới – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam hỗ trợ, giúp đỡ q trình thực nghiệm để tơi hồn thành luận văn Do nhận thức thân vấn đề nghiên cứu cịn có hạn chế định nên khơng thể tránh khỏi thiếu xót, em mong nhận ý kiến đóng góp quý thầy, để em có kiến thức q báu khắc phục hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng Tác giả Lê Duy Hùng năm 2023 ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Tên đề tài (tiếng Việt): Nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ polylactic axit (PLA) có khả ứng dụng công nghệ in 3D Tên đề tài (tiếng Anh): Study on the wood flour filled Polylactic acid (PLA) Compozite filament applicable in 3D printing Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên TS Phùng Anh Tuân Lời cảm ơn Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến tập thể cá nhân sau đây: Thứ nhất, em xin cảm ơn Thầy TS Phùng Anh Tuân – Trưởng Bộ môn Cơng nghệ in – Viện Kỹ thuật Hố học, Đại học Bách Khoa Hà Nội; cán bộ, giảng viên Trung tâm vật liệu Polymer - Đại học Bách Khoa Hà Nội: Nguyễn Phạm Duy Linh, Vũ Minh Đức, Nguyễn Thanh Liêm; quý thầy cô Bộ môn Cơng nghệ in Viện Kỹ thuật hóa học tận tình giúp đỡ, chia sẻ kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi q trình nghiên cứu hồn thành đề tài Thứ hai, xin cảm ơn cán Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu tiên tiến ứng dụng phát triển xanh (KLAMAG) - Đại học khoa học tự nhiên); Viện Nhiệt đới – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam hỗ trợ, giúp đỡ trình thực nghiệm để tơi hồn thành luận văn Do nhận thức thân vấn đề nghiên cứu cịn có hạn chế định nên khơng thể tránh khỏi thiếu xót, em mong nhận ý kiến đóng góp q thầy, để em có kiến thức quý báu khắc phục hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Luận văn trình bày phương pháp nghiên cứu, chế tạo vật liệu compozit sinh học từ nhựa Poly (lactic acid) (PLA) bột gỗ (bột gỗ mít, đường kính khoảng 10µm) với tỷ lệ phần trăm bột gỗ khác (PLA/BG: 10%, 15%, 20%, 25% 30%) phương pháp đùn hai trục vít với đường kính sợi compozit (PLA/BG) tạo thành khoảng 2mm nằm khoảng dao động đường kính sợi vật liệu in 3D - FDM (từ 1,75-3,0mm) Với đường kính vật liệu tạo có tiềm ứng dụng công nghệ in 3D-FDM Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ pha trộn (PLA/BG) đến tính chất học vật liệu bao gồm độ bền va đập, độ bền kéo, mô đun Young, độ bền uốn, mô đun uốn vi cấu trúc vật liệu, cấu trúc tinh thể vật liệu, tính chất nhiệt, tính chất lưu biến vật liệu Kết khảo sát cho thấy tỷ lệ bột gỗ ảnh hưởng đến tính chất học vật liệu compozit PLA bột gỗ Độ bền va đập vật liệu compozit PLA cao tỷ lệ bột gỗ thêm vào 15% Vật liệu compozit PLA trở nên giòn tỷ lệ bột gỗ thêm vào lớn 20%, độ bền kéo, mô đun kéo khả giãn dài kéo giảm Ngoài ra, độ bền uốn vật liệu compozit giảm 40% tỷ lệ bột gỗ thêm vào 20% Phân tích vi cấu trúc cho thấy bột gỗ có xu hướng phân bố vật liệu compozit tỷ lệ 20% Cuối cùng, tỷ lệ bột gỗ thêm vào lớn 20%, bột gỗ bị kết tụ vật liệu compozit Trên sở kết khảo sát thực nghiệm xác định mức tỷ lệ bột gỗ pha trộn phù hợp làm tăng cường tính chất học cho vật liệu độ bền va đập vật liệu tăng khả phân bố hạt gỗ PLA Đề tài nghiên cứu sử dụng bột gỗ làm chất độn chế tạo vật liệu compozit sinh học gốc PLA có tiềm ứng dụng công nghệ in 3D-FDM nhằm tăng giá trị sử dụng bột gỗ - nguồn phế thải ngành công nghiệp chế biến gỗ phổ biến nhằm góp phần cải thiện mơi trường cường độ bền học vật liệu ứng dụng, đảm bảo tính khoa học thực tiễn HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất cộng (Additive Manufacture: AM) 1.2 Phân loại công nghệ sản xuất cộng AM 1.2.1 In phun chất kết dính (Binder Jetting) 1.2.2 Kết tụ vật liệu lượng trực tiếp (Directed Energy Deposition – DED) 1.2.3 Nóng chảy lớp bột (Powder Bed Fusion) 1.2.4 Cán ép vật liệu dạng ( Sheet Lamination ) 1.2.5 Đùn vật liệu ( Material Extrusion ) 1.2.6 Phun vật liệu ( Material Jetting ) 10 1.2.7 Polyme hóa nhựa nhạy sáng (Vat Photo Polymerization) 10 1.3 Giới thiệu 07 công nghệ sản xuất cộng phổ biến 11 1.3.1 Phương pháp in FDM (Fused Deposition Modelling) 11 1.3.2 Phương pháp thiêu kết laze chọn lọc (Selective Laser Sintering: SLS) 12 1.3.3 Phương pháp nóng chảy laze chọn lọc (Selective Laser Melting: SLM) 13 1.3.4 Phương pháp in phun 14 1.3.5 Phương pháp in phẳng không gian (Stereolithography: SLA) 15 1.3.6 Phương pháp kết tụ lượng trực tiếp (Direct Energy Deposition: DED) 15 1.3.7 Phương pháp in đối tượng phân lớp (Laminated Object Manufacturing: LOM) 16 1.4 Tổng hợp số phương pháp in 3D 17 1.5 Giới thiệu tổng quan loại vật liệu in 3D 19 1.5.1 Vật liệu thông minh 19 1.5.2 Vật liệu gốm 20 1.5.3 Vật liệu điện tử 21 1.5.4 Vật liệu sinh học 22 1.5.5 Vật liệu compozit 23 1.5.6 Các nghiên cứu polyme compozit cốt gỗ polylactic axit (PLA) 24 1.5.7 Các nghiên cứu tiềm áp dụng vật liệu PLA cốt gỗ công nghệ in 3D- FDM 25 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 30 2.1 Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu 30 2.1.1 Nguyên liệu 30 2.1.2 Phương pháp nghiên cứu 31 2.1.3 Quy trình chế tạo vật liệu compozit 31 2.2 Đặc trưng hóa vật liệu 36 2.2.1 Chỉ số chảy 36 2.2.2 Xác định độ bền kéo độ bền uốn vật liệu cpolyme compozit PLA/BG 36 2.2.3 Độ bền va đập 37 2.2.4 Phân tích cấu trúc tinh thể (XRD) 38 2.2.5 Quan sát vi cấu trúc vật liệu polymer compozit PLA/BG (kính hiển vi điện tử quét SEM) 38 2.2.6 Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimeter: DSC) 38 2.2.7 Phân tích tính chất nhiệt động vật liệu polyme compozit PLA/BG (Dynamical Mechanical Thermal Analysis: DMTA) 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ 39 3.1 Ảnh hưởng bột gỗ đến tính chất nhiệt tính chất học vật liệu polymer compozit PLA/BG 39 3.1.1 Chỉ số chảy 39 3.1.2 Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimeter: DSC) 39 3.1.3 Độ bền va đập vật liệu 40 3.1.4 Độ bền kéo độ bền uốn vật liệu polyme compozit PLA/BG 41 3.2 Phân tích cấu trúc tinh thể (XRD) 44 3.3 Quan sát vi cấu trúc vật liệu compozit PLA/BG 48 3.4 Tính chất nhiệt động vật liệu compozit PLA/BG 49 Kết luận 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 59 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp số phương pháp in 3D vật liệu sử dụng 18 Bảng 1.2 Tổng hợp kết nghiên cứu vật liệu polymer compozit PLA gia cường sợi tự nhiên in 3D-FDM 27 Bảng 2.1 Tỷ lệ pha trộn PLA bột gỗ 32 Bảng 2.2 Thông số nhiệt độ thiết lập cho máy ép đùn hai trục vít 33 Bảng 2.3 Các thông số thiết lập cài đặt cho máy ép phun 34 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật tạo mẫu Type-I máy ép phun 35 Bảng 3.1 Kết đo số chảy vật liệu 39 Bảng 3.2 Tính chất học: độ bền kéo vật liệu compozit PLA/BG .41 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp kết đo độ bền học 44 vật liệu đốt nóng khoảng nhiệt độ nhiệt nóng chảy (cold crystallization phenonmenon) Mẫu PLA ngun chất có mơ đun tích cao nhất, mơ đun tích thấp ghi nhận cho mẫu compozit PLA có 25 % bột gỗ Ngồi ra, quan sát mơ đun tích vùng nhiệt độ thấp 2.00E+09 Mơ đun tích (Pa) 1.60E+09 PLA 1.20E+09 PLA/BG-10 PLA/BG-15 PLA/BG-20 8.00E+08 PLA/BG-25 4.00E+08 0.00E+00 20 40 60 80 100 120 Nhiệt độ (oC) Hình 3.11.Tính chất lưu biến vật liệu compozit PLA/bột gỗ, mơ đun tích hàm nhiệt độ Quan sát hình 3.14 bên dưới, kết DMTA cho thấy khả tương thích bột gỗ (filler) PLA (polymer matrix) Hình dạng tan δ quan sát 63.420C với mẫu PLA, tương ứng với nhiệt hoá thuỷ tinh (Tg) Với mẫu PLA/BG-20 đỉnh tan δ tăng lên 67,520C, sau giảm xuống 63,760C tăng tỷ lệ bột gỗ lên 25 % vật liệu PLA compozit Xu hướng thay đổi Tg phù hợp với kết đo DSC Có thể thấy Tg vật liệu polyme compozit bị ảnh hưởng nhiều tương tác polyme chất độn Trong nghiên cứu này, bột gỗ ghép với chuỗi PLA mạng lưới PLA, kết làm giảm thể tích mạng PLA, làm Tg chuyển lên nhiệt độ cao Tuy nhiên, chuỗi PLA bị ảnh hưởng kích thước hạt bột gỗ Khi xuất đám tập hợp, tương tác bột gỗ PLA giảm đo giảm diện tích bề mặt phân chia pha, điều dẫn đến thay đổi làm giảm Tg Vì tỷ lệ gỗ phù hợp PLA/bột gỗ 20 % bột gỗ hệ PLA 50 0.9 PLA (63.42 oC) PLA/BG-10 (63.42 oC) 0.6 Loss factor PLA/BG-15 (62.75) PLA/BG-20 (67.51 oC) PLA/BG-25 (63.76 oC) 0.3 20 40 60 80 100 120 Nhiệt độ (oC) Hình 3.12.Tính chất lưu biến vật liệu compozit PLA/bột gỗ, mơ đun hàm nhiệt độ Quan sát hình 3.15 cho thấy tương tự mơ đun tích, mơ đun giảm 570, nhiên sau tăng khoảng 850 tất mẫu polyme compozit PLA/BG mẫu PLA có mơ đun cao nhất, mơ đun thấp ghi nhận cho mẫu polyme compozit PLA/BG-25 3.00E+08 3.00E+08 Mơ đun (Pa) Mơ đun (Pa) 2.50E+08 2.50E+08 2.00E+08 2.00E+08 PLA PLA PLA/BG-10 PLA/BG-10 PLA/BG-15 PLA/BG-15 PLA/BG-20 PLA/BG-20 PLA/BG-25 PLA/BG-25 1.50E+08 1.50E+08 1.00E+08 1.00E+08 5.00E+07 5.00E+07 Hình 3.1 Tính chất lưu biến vật liệu compozit PLA/bột gỗ, hệ số tổn hao hàm nhiệt độ 0.00E+00 0.00E+00 20 20 40 40 60 60 80 Nhiệt độ (oC) Nhiệt độ (oC) 80 100 100 120 120 Hình 3.13.Tính chất lưu biến vật liệu compozit PLA/bột gỗ, mơ đun hàm nhiệt độ 51 Anton Paar RheoCompass 1E+10 0.8 Loss Modulus G'' [Pa] Storage Modulus G' [Pa] 1E+09 0.6 1E+08 0.4 1E+07 0.2 PLA20.05102022 SRF12 SN42121 G'' G' 1E+06 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 85.0 90.0 95.0 100.0 105.0 110.0 115.0 120.0 Temperature T [°C] Anton Paar Hình 3.14.Kết đo tính chất lưu biến mẫu PLA/BG chứa 20 % bột gỗ Anton Paar Anton Paar Anton Paar Anton Paar 52 Kết luận Luận văn đạt mục tiêu đặt ra: nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ Poly lactic acid (PLA) có khả ứng dụng cơng nghệ in 3D Các kết nghiên cứu thực bao gồm: Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ đến tính chất học vật liệu PLA/MAPE/BG bao gồm độ bền va đập, độ bền kéo, mô đun Young, độ bền uốn, mô đun uốn Kết khảo sát cho thấy tỷ lệ bột gỗ ảnh hưởng đến tính chất học vật liệu compozit PLA bột gỗ Độ bền va đập vật liệu compozit PLA cao tỷ lệ bột gỗ thêm vào 15 % Vật liệu compozit PLA trở nên giòn tỷ lệ bột gỗ thêm vào lớn 20 %, độ bền kéo, mơ đun kéo khả giãn dài kéo giảm Ngoài ra, độ bền uốn vật liệu compozit giảm 40 % tỷ lệ bột gỗ thêm vào 20%; Phân tích vi cấu trúc cho thấy bột gỗ có xu hướng phân bố vật liệu compozit tỷ lệ 20 % Cuối cùng, tỷ lệ bột gỗ thêm vào lớn 20 %, bột gỗ bị kết tụ vật liệu compozit; Nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật liệu compozit PLA/BG cho thấy cường độ cực đại nhiễu xạ vật liệu compozit tăng đáng kể với việc bổ sung bột gỗ Hiện tượng cho thấy vật liệu compozit PLA/bột gỗ có độ kết tinh cao PLA Nghiên cứu tính chất lưu biến tính chất nhiệt vật liệu compozit PLA/BG cho thấy khả tương thích bột gỗ (filler) PLA (polymer matrix), ảnh hưởng bột gỗ đến mơ đun tích, tan δ mơ đun thoát vật liệu compozit PLA/bột gỗ Nghiên cứu sử dụng mùn cưa làm chất độn chế tạo vật liệu compozit sinh học gốc PLA góp phần cải thiện môi trường tăng giá trị sử dụng mùn cưa Mặc dù có mặt mùn cưa làm ảnh hưởng đến đặc tính học vật liệu compozit PLA kết nghiên cứu cho thấy tỷ lệ mùn cưa 20 % thêm vào vật liệu compozit PLA độ bền va đập vật liệu tăng Các hạt mùn cưa phân bố PLA, với đường kính kích thước hạt gỗ khoảng 10 µm, đường kính sợi compozit PLA/BG khoảng mm Đây kết ban đầu quan trọng cho thấy vật liệu compozit PLA/BG có tiềm ứng dụng công nghệ in 3D-FDM Hướng phát triển đồ án tương lai: Tiếp tục nghiên cứu khả in vật liệu compozit PLA/BG công nghệ in 3D-FDM 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wohlers T., Gornet T History of additive manufacturing Wohlers Rep 2014;24:118 [Google Scholar] [2] Cục Ứng dụng Phát triển công nghệ, Bộ KH&CN, Công nghệ in 3D định hướng lộ trình phát triển Việt Nam [3] Jian-Yuan Lee∗, Jia An, Chee Kai Chua, Fundamentals and applications of 3D printing for novel materials, 2017, Applied Materials Today – Article [4] Abid Haleema, Mohd Javaid a, *, 1, Ravi Pratap Singh b , Rajiv Suman c, Significant roles of 4D printing using smart materials in the field of manufacturing [5] G Qi, K.D Conner, H.J Qi, L.D Martin, Active origami by 4D printing, Smart Mater Struct 23 (2014) 094007 [6] D Raviv, W Zhao, C McKnelly, A Papadopoulou, A Kadambi, B Shi, S Hirsch, D Dikovsky, M Zyracki, C Olguin, R Raskar, S Tibbits, Active printed materials for complex self-evolving deformations, Sci Reports (2014) 7422 [7] Q Ge, A.H Sakhaei, H Lee, C.K Dunn, N.X Fang, M.L Dunn, Multimaterial 4D printing with tailorable shape memory polymers, Sci Reports (2016) 31110 [8] A Sydney Gladman, E.A Matsumoto, R.G Nuzzo, L Mahadevan, J.A Lewis, Biomimetic 4D printing, Nat Mater 15 (2016) 413–418 [9] J Deckers, J Vleugels, J.-P Kruth, Additive manufacturing of ceramics: a review, J Ceram Sci Technol (2014) 245–260 [10] A Zocca, P Colombo, C.M Gomes, J Günster, Additive manufacturing of ceramics: issues, potentialities, and opportunities, J Am Ceram Soc 98 (2015) 1983–1990 [11] Z.C Eckel, C Zhou, J.H Martin, A.J Jacobsen, W.B Carter, T.A Schaedler, Additive manufacturing of polymer-derived ceramics, Science 351 (2016) 58–62 [12] D Kim, S.H Lee, S Jeong, J Moon, All-ink-jet printed flexible organic thin-film transistors on plastic substrates, Electrochem Solid State Lett 12 (2009) H195–H197 [13] N Saengchairat, T Tran, C.K Chua, A review: additive manufacturing for active electronic components, Virtual Phys Prototyp 12 (2017) 31–46 [14] D Kim, S.H Lee, S Jeong, J Moon, All-ink-jet printed flexible organic thin-film transistors on plastic substrates, Electrochem Solid State Lett 12 (2009) H195–H197 [15] S Jung, A Sou, E Gili, H Sirringhaus, Inkjet-printed resistors with a wide resistance range for printed read-only memory applications, Org Electron 14 (2013) 699–702 [16] J.A Lewis, B.Y Ahn, Device fabrication: three-dimensional printed electronics, Nature 518 (2015) 42–43 [17] Y.L Kong, I.A Tamargo, H Kim, B.N Johnson, M.K Gupta, T.-W Koh, H.-A Chin, D.A Steingart, B.P Rand, M.C McAlpine, 3D printed quantum dot light-emitting diodes, Nano Lett 14 (2014) 7017–7020 54 [18] M Wehner, R.L Truby, D.J Fitzgerald, B Mosadegh, G.M Whitesides, J.A Lewis, R.J Wood, An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots, Nature 536 (2016) 451–455 [19] G.L Goh, J Ma, K.L.F Chua, A Shweta, W.Y Yeong, Y.P Zhang, Inkjetprinted patch antenna emitter for wireless communication application, Virtual Phys Prototyp 11 (2016) 289–294 [20] E.MacDonald, R Wicker, Multiprocess 3D printing for increasing component functionality, Science 353 (2016) [21] H.-W Kang, S.J Lee, I.K Ko, C Kengla, J.J Yoo, A Atala, A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity, Nat Biotechnol 34 (2016) 312–319 [22] J.U Lind, T.A Busbee, A.D Valentine, F.S Pasqualini, H Yuan, M Yadid, S.-J Park, A Kotikian, A.P Nesmith, P.H Campbell, J.J Vlassak,J.A Lewis, K.K [23] S.J Leigh, R.J Bradley, C.P Purssell, D.R Billson, D.A Hutchins, A simple, low-cost conductive composite material for 3D printing of electronic sensors, PLOS ONE (2012) e49365 [24] U Saeed, M A Nawaz, and H A Al-Turaif, "Wood flour reinforced biodegradable PBS/PLA composites," Journal of Composite Materials, Vol 52, pp 2641-2650, 2018 [25] P Borysiuk, P Boruszewski, R Auriga, L Danecki, A Auriga, K Rybak, et al., "Influence of a bark-filler on the properties of PLA biocomposites," Journal of Materials Science, Vol 56, pp 9196-9208, 2021 [26] P K Bajpai, I Singh, and J Madaan, "Development and characterization of PLA-based green composites: A review," Journal of Thermoplastic Composite Materials, Vol 27, pp 52-81, 2014 [27] L García-Guzmán, G Cabrera-Barjas, C G Soria-Hernández, J Castaño, A Y Guadarrama-Lezama, and S Rodríguez Llamazares, "Progress in Starch-Based Materials for Food Packaging Applications," Polysaccharides, Vol 3, pp 136-177, 2022 [28] J R Dorgan, H J Lehermeier, L I Palade, and J Cicero, "Polylactides: Properties and prospects of an environmentally benign plastic from renewable resources," Macromolecular Symposia, Vol 175, pp 55-66, 2001 [29] N Petchwattana and S Covavisaruch, "Mechanical and morphological properties of wood plastic biocomposites prepared from toughened poly(lactic acid) and rubber wood sawdust (hevea brasiliensis)," Journal of Bionic Engineering, Vol 11, pp 630-637, 2014 [30] C Maraveas, "Production of sustainable and biodegradable polymers from agricultural waste," Polymers, Vol 12, 2020 [31] R Vardai, T Lummerstorfer, C Pretschuh, M Jerabek, M Gahleitner, B Pukanszky, et al., "Impact modification of PP/wood composites: A new approach using hybrid fibers," Express Polymer Letters, Vol 13, pp 223-234, 2019 [32] R Auras, B Harte, and S Selke, "An Overview of Polylactides as Packaging Materials," Macromolecular Bioscience, Vol 4, pp 835-864, 2004 [33] C H Lee, F N B M Padzil, S H Lee, Z M A A Ainun, and L C Abdullah, "Potential for natural fiber reinforcement in pla polymer filaments 55 for fused deposition modeling (Fdm) additive manufacturing: A review," Polymers, Vol 13, 2021 [34] J Andrzejewski, K Grad, W Wiśniewski, and J Szulc, "The use of agricultural waste in the modification of poly(Lactic acid)-based composites intended for 3d printing applications the use of toughened blend systems to improve mechanical properties," Journal of Composites Science, Vol 5, 2021 [35] A Wang, R Qi, C Xiong, and M Huang, "Effects of coupling agent and interfacial modifiers on mechanical properties of poly(lactic acid) and wood flour biocomposites," Iranian Polymer Journal (English Edition), Vol 20, pp 281-294, 2011 [36] V Figueroa-Velarde, T Diaz-Vidal, E O Cisneros-López, J R RobledoOrtiz, E J López-Naranjo, P Ortega-Gudiđo, et al., "Mechanical and physicochemical properties of 3d-printed agave fibers/poly(Lactic) acid biocomposites," Materials, Vol 14, 2021 [37] Babagowda, R S Kadadevara Math, R Goutham, and K R Srinivas Prasad, "Study of Effects on Mechanical Properties of PLA Filament which is blended with Recycled PLA Materials," IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol 310, 2018 [38] Y Huang, S Löschke, and G Proust, "In the mix: The effect of wood composition on the 3D printability and mechanical performance of woodplastic composites," Composites Part C: Open Access, Vol 5, p 100140, 2021 [39] S Li, C Shi, S Sun, H Chan, H Lu, A Nilghaz, et al., "From brown to colored: Polylactic acid composite with micro/nano-structured white spent coffee grounds for three-dimensional printing," International Journal of Biological Macromolecules, Vol 174, pp 300-308, 2021 [40] D Chaidas and J D Kechagias, "An investigation of PLA/W parts quality fabricated by FFF," Materials and Manufacturing Processes, Vol 00, pp 1-9, 2021 [41] M S Huda, L T Drzal, M Misra, and A K Mohanty, "Wood-fiberreinforced poly(lactic acid) composites: Evaluation of the physicomechanical and morphological properties," Journal of Applied Polymer Science, Vol 102, pp 4856-4869, 2006 [42] Y Tao, M Liu, W Han, and P Li, "Waste office paper filled polylactic acid composite filaments for 3D printing," Composites Part B: Engineering, Vol 221, p 108998, 2021 [43] X Song, W He, H Qin, and S Yang, "Fused Deposition Modeling of Poly (lactic acid) / Macadamia Composites — Thermal, Mechanical," Materials, Vol 13, p 258, 2020 [44] Y Tao, H Wang, Z Li, P Li, and S Q Shi, "Development and application ofwood flour-filled polylactic acid composite filament for 3d printing," Materials, Vol 10, pp 1-6, 2017 [45] K A Adegoke, O O Adesina, O A Okon-Akan, O R Adegoke, A B Olabintan, O A Ajala, et al., "Sawdust-biomass based materials for sequestration of organic and inorganic pollutants and potential for engineering applications," Current Research in Green and Sustainable Chemistry, Vol 5, p 100274, 2022 [46] H Orelma, A Tanaka, M Vuoriluoto, A Khakalo, and A Korpela, "Manufacture of all-wood sawdust-based particle board using ionic liquid56 facilitated fusion process," Wood Science and Technology, Vol 55, pp 331349, 2021 [47] Zhong, W.; Li, F.; Zhang, Z.; Song, L.; Li, Z Short fiber reinforced composites for fused deposition modeling Mater Sci Eng A 2001, 301, 125– 130 [CrossRef] [48] Nannan GUO, M.C.L Additive manufacturing: Technology, applications and research needs Front Mech Eng 2013, 8, 215–243 [CrossRef] [49] Sekar, V.; Fouladi, M.H.; Namasivayam, S.N.; Sivanesan, S Additive Manufacturing: A Novel Method for Developing an Acoustic Panel Made of Natural Fiber-Reinforced Composites with Enhanced Mechanical and Acoustical Properties J Eng 2019, 2019, 19 [CrossRef] [50] Fidan, I.; Imeri, A.; Gupta, A.; Hasanov, S.; Nasirov, A.; Elliott, A.; AlifuiSegbaya, F.; Nanami, N The trends and challenges of fiber reinforced additive manufacturing Int J Adv Manuf Technol 2019, 102, 1801–1818 [CrossRef] [51] Mazzanti, V.; Malagutti, L.; Mollica, F FDM 3D Printing of Polymers Containing Natural Fillers: A Review of their Mechanical Properties Polymers 2019, 11, 1094 [CrossRef] [PubMed] [52] Stoof, D.; Pickering, K.; Zhang, Y Fused Deposition Modelling of Natural Fibre/Polylactic Acid Composites J Compos Sci 2017, 1, [CrossRef] [53] Coppola, B.; Garofalo, E.; Di Maio, L.; Scarfato, P.; Incarnato, L Investigation on the Use of PLA/Hemp Composites for the Fused Deposition Modelling (FDM) 3D Printing AIP Conf Proc 2018, 1981, 020086 [54] Wang, C.; Smith, L.M.; Zhang, W.; Li, M.; Wang, G.; Shi, S.Q.; Cheng, H.; Zhang, S Reinforcement of Polylactic Acid for Fused Deposition Modeling Process with Nano Particles Treated Bamboo Powder Polymers 2019, 11, 1146 [CrossRef] [PubMed] [55] Le Duigou, A.; Castro, M.; Bevan, R.; Martin, N 3D printing of wood fibre biocomposites: From mechanical to actuation functionality Mater Des 2016, 96, 106–114 [CrossRef] [56] Liu, Z.; Lei, Q.; Xing, S Mechanical characteristics of wood, ceramic, metal and carbon fiber-based PLA composites fabricated by FDM J Mater Res Technol 2019, 8, 3741–3751 [CrossRef] [57] Tao, Y.; Wang, H.; Li, Z.; Li, P.; Shi, S.Q Development and Application of Wood Flour-Filled Polylactic Acid Composite Filament for 3D Printing Materials 2017, 10, 339 [CrossRef] [58] Petchwattana, N.; Channuan, W.; Naknaen, P.; Narupai, B 3D Printing Filaments Prepared from Modified Poly(Lactic Acid)/Teak Wood Flour Composites: An Investigation on the Particle Size Effects and Silane Coupling Agent Compatibilisation J Phys Sci 2019, 30, 169–188 [CrossRef] [59] Mangat Amarveer, S Experimental investigations on natural fiber embedded additive manufacturing-based biodegradable structures for biomedical applications Rapid Prototyp J 2018, 24, 1221–1234 [CrossRef] [60] Graupner, N.; Müssig, J A comparison of the mechanical characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic acid) (PLA) and poly(3hydroxybutyrate) (PHB) composites Compos Part A Appl Sci Manuf 2011, 42, 2010–2019 [CrossRef] 57 [61] Ibrahim, N.A.; Yunus, W.M.Z.W.; Othman, M.; Abdan, K.; Hadithon, K.A Poly(Lactic Acid) (PLA)-reinforced Kenaf Bast Fiber Composites: The Effect of Triacetin J Reinf Plast Compos 2010, 29, 1099–1111 [CrossRef] [62] Ochi, S Mechanical properties of kenaf fibers and kenaf/PLA composites Mech Mater 2008, 40, 446–452 [CrossRef] [63] Lee, C.H.; Khalina, A.; Lee, S.H Importance of Interfacial Adhesion Condition on Characterization of Plant-Fiber-Reinforced Polymer Composites: A Review Polymers 2021, 13, 438 [CrossRef] [64] Han, S.O.; Karevan, M.; Sim, I.N.; Bhuiyan, M.A.; Jang, Y.H.; Ghaffar, J.; Kalaitzidou, K Understanding the Reinforcing Mechanisms in Kenaf Fiber/PLA and Kenaf Fiber/PP Composites: A Comparative Study Int J Polym Sci 2012, 2012, 679252 [CrossRef] [65] Kamarudin, S.H.; Abdullah, L.; Aung, M.M.; Ratnam, C.T.J.B Mechanical and Physical Properties of Kenaf-reinforced Poly(lactic acid) Plasticized with Epoxidized Jatropha Oil BioResources 2019, 14, 9001–9020 [66] Huy, T.A.; Adhikari, R.; Lüpke, T.; Henning, S.; Michler, G.H Molecular deformation mechanisms of isotactic polypropylene in α- and β-crystal forms by FTIR spectroscopy J Polym Sci Part B Polym Phys 2004, 42, 4478– 4488 [CrossRef] [67] Aliotta, L.; Gigante, V.; Coltelli, M.-B.; Cinelli, P.; Lazzeri, A.; Seggiani, M Thermo-Mechanical Properties of PLA/Short Flax Fiber Biocomposites Appl Sci 2019, 9, 3797 [CrossRef] [68] Tanaka, K.; Katsura, T.; Shinohara, M.; Morita, Y.; Katayama, T.; Uno, K Heat-Resistant and Mechanical Property of Jute Continuous Fiber Reinforced PLA J Soc Mater Sci Jpn 2010, 59, 546–552 [CrossRef] [69] Dong, Y.; Ghataura, A.; Takagi, H.; Haroosh, H.J.; Nakagaito, A.N.; Lau, K.-T Polylactic acid (PLA) biocomposites reinforced with coir fibres: Evaluation of mechanical performance and multifunctional properties Compos Part A Appl Sci Manuf 2014, 63, 76–84 [CrossRef] [70] Goh, G.D.; Yap, Y.L.; Agarwala, S.; Yeong, W.Y Recent Progress in Additive Manufacturing of Fiber Reinforced Polymer Composite Adv Mater Technol 2019, 4, 1800271 [CrossRef] [71] Matsuzaki, R.; Ueda, M.; Namiki, M.; Jeong, T.-K.; Asahara, H.; Horiguchi, K.; Nakamura, T.; Todoroki, A.; Hirano, Y Threedimensional printing of continuous-fiber composites by in-nozzle impregnation Sci Rep 2016, 6, 23058 [CrossRef] [PubMed] [72] J Nomai, R Jarapanyacheep, and K Jarukumjorn, "Mechanical, Thermal, and Morphological Properties of Sawdust/Poly(lactic acid) Composites: Effects of Alkali Treatment and Poly(butylene adipate-co-terephthalate) content," Macromolecular Symposia, Vol 354, pp 244-250, 2015 [73] Chung, H.J.; Lee, E.J.; Lim, S.T Comparison in glass transition and enthalpy relaxation between native and gelatinized rice starches Carbohydr Polym 2002, 48, 287–298.) [74] Y Tlegenov, G S Hong, and W F Lu, "Nozzle condition monitoring in 3D printing," Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol 54, pp 45-55, 2018 58 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Kết đo số chảy Tên mẫu/Kết đo STT PLA_0 PLA_10 PLA_15 PLA_20 PLA_25 PLA_30 19.86 14.8500 14.4660 7.9980 5.0940 2.3580 16.704 15.8100 16.0020 6.6000 4.9800 2.9940 15.9 15.6720 14.1960 6.6600 4.9600 2.4960 12.282 14.2260 14.4600 6.8880 5.1300 2.6220 - 15.4380 15.5700 6.9420 5.3100 3.0540 - 14.4900 14.5380 7.0860 4.9140 2.5500 - 15.4260 14.9100 5.6700 4.9200 2.3280 - 14.6100 14.6100 7.1820 4.9680 2.3280 - 15.9000 14.1360 6.4980 5.2320 2.9400 10 - 15.3360 14.6700 6.5640 4.6560 2.3520 Trung bình 16.187 15.1758 14.7558 6.8088 5.0164 2.6022 59 PHỤ LỤC 02 Bảng kết đo độ bền va đập Kết đo (KJ/m2) STT PLA_0Mẫu trống PLA/MAPE 0.1 0.2 0.3 10,26 / 4,00 10,30 / 1,12 9,3 / 1,1 3.5 3.28 3.47 PLA/MAPE/BG10% 10.1 10,2 / 4,00 10.2 10,1 / 4,00 PLA/MAPE/BG15% 2.78 2.75 15.1 10,42 / 4,00 15.2 10,28 / 4,00 3.36 3.5 PLA/MAPE/BG20% 20.1 10,39 / 4,08 20.2 10,52 / 4,00 20.3 10,18 / 4,00 2.92 3.1 PLA/MAPE/BG25% 25.1 25.2 25.3 25.4 10,2 / 3,94 10,22 / 3,94 10,24 / 3,98 10,26 /4,04 2.7 2.72 2.93 2.48 PLA/MAPE/BG30% 30.1 10,28 / 4,1 30.2 10,32 / 4,00 30.3 10,42 / 4,18 2.32 2.57 2.99 60 PHỤ LỤC 03 Bảng kết đo độ bền kéo Modulus Tensile Tensile of Stress Strain Elastility [MPa] [%] [GPa] Maxi mum Load [kN] With [mm] Thickness [mm] Exten sion at Yield [mm] Exten sion at Break [mm] 5.51 2.45 2.41 2.26 2.22 2.26 2.25 1.44 2.05 2.19 2.30 1.74 2.06 2.02 2.04 2.28 11.86 4.84 1.06 3.43 1.13 11.84 4.70 0.72 1.30 1.27 11.90 4.77 0.84 1.43 1.18 11.80 4.81 0.75 1.53 0.66 11.80 4.67 0.60 0.66 0.57 11.80 4.67 - 0.39 1.24 11.81 4.82 0.77 1.68 1.00 12.00 4.93 0.58 0.93 1.22 11.97 4.83 0.82 1.33 1.24 11.97 4.79 0.78 1.42 0.98 11.95 4.81 0.67 1.52 1.08 11.95 4.81 0.66 1.13 0.31 11.86 4.83 0.30 0.30 1.30 11.86 4.83 0.71 2.00 17.62 2.39 1.68 1.56 1.57 1.52 1.54 1.57 1.56 1.61 1.51 1.46 1.51 1.5 1.61 1.52 1.13 11.90 4.79 0.68 1.53 Mean 21.75 1.57 2.53 1.24 11.88 4.80 0.74 1.64 S.D 9.75 0.15 1.59 0.56 0.07 0.07 0.18 1.03 Minimum 5.34 1.34 0.46 0.31 11.80 4.67 0.30 0.30 Maximum 39.71 1.86 6.04 2.28 12.00 4.67 1.06 3.93 ST T Sample PLA 39.65 PLA_10 21.12 PLA_10 22.42 PLA_15 20.73 PLA_15 20.93 PLA_15 20.28 PLA_15 21.77 PLA_20 16.97 PLA_20 21.05 10 PLA_20 21.64 11 PLA_25 17.16 12 PLA_25 16.81 13 PLA_25 17.64 14 PLA_25 16.64 15 PLA_30 61 PHỤ LỤC 04 Bảng kết đo độ bền uốn STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Tên mẫu PLA PLA PLA PLA_10 PLA_10 PLA_15 PLA_15 PLA_20 PLA_20 PLA_20 PLA_20 PLA_25 PLA_25 PLA_25 PLA_25 PLA_30 PLA_30 PLA_30 Mean S.D Minimum Maximum Modulus Flexural Flexure of strength Strain Elastility [MPa] [%] [GPa] 61.2 58.9 64.6 37.1 32.8 41.3 43.8 44.40 44.20 42.83 44.48 38.0 46.1 44.7 35.9 39.0 33.5 35.1 44.5 11.3 32.8 72.1 2.20 2.33 2.14 2.14 2.01 2.37 2.25 2.33 2.52 2.61 2.49 2.46 2.77 2.91 2.57 2.86 2.88 3.01 2.52 0.32 2.01 3.09 4.4 4.4 4.2 2.6 2.2 2.5 2.6 2.8 2.6 2.6 2.6 2.0 2.5 2.3 1.8 2.0 1.4 1.6 2.6 0.9 1.4 4.4 Maxi Exten mum sion Flexure [mm] Load [N] With [mm] 11.52 11.34 10.81 6.90 6.00 6.45 6.97 7.10 6.69 6.69 6.67 5.45 6.60 6.12 4.75 5.28 3.54 4.04 6.75 2.23 3.54 11.52 14.7 14.79 14.73 14.95 14.71 14.81 14.73 14.91 14.89 14.89 15.03 14.78 14.85 14.83 14.78 14.71 14.83 14.77 14.81 0.09 14.67 15.03 148.41 143.28 137.09 76.09 64.01 87.79 88.18 96.91 93.93 87.91 92.75 74.88 92.71 91.05 69.76 78.03 74.69 76.59 92.18 24.38 64.01 148.41 Thick Flexure ness Strain [mm] [%] 4.1 4.12 4.19 4.06 3.99 4.15 4.05 4.19 4.14 4.07 4.08 4.00 4.03 4.06 3.97 4.04 4.25 4.21 4.09 0.08 3.97 4.25 4.43 4.38 4.25 2.63 2.25 2.51 2.65 2.79 2.60 2.55 2.55 2.04 2.49 2.33 1.77 2.00 1.41 1.59 2.59 0.87 1.41 4.43 62 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme compozit cốt gỗ polylactic axit (PLA) có khả ứng dụng công nghệ in 3D Tác giả luận văn: Lê Duy Hùng Khóa: CH2020B Người hướng dẫn: TS Phùng Anh Tn – Trưởng Bộ mơn Cơng nghệ in Từ khóa (Keyword): PLA; Mùn cưa; Compozit sinh học; Đùn 02 trục vít; ép phun; Tính chất học; tính chất nhiệt; tính chất lưu biến Nội dung tóm tắt: - Lý chọn đề tài: Xuất phát từ thực trạng, tiềm ứng dụng phát triển công nghệ in 3D Việt Nam bối cảnh phát triển công nghệ in 3D giới ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp, công nghệ tạo mẫu nhanh, giúp doanh nghiệp chuyển đổi sáng kiến, ý tưởng thành sản phẩm thực tế cách nhanh chóng hiệu Ở Việt Nam, cơng nghệ in 3D có mặt nhiều lĩnh vực y khoa, kiến trúc, xây dựng, mỹ nghệ, thời trang, khí, giáo dục Trong nguồn nguyên liệu sử dụng cho in 3D chủ yếu phải nhập từ nước ngoài, lý để phải nghiên cứu, tự sản xuất vật liệu in 3D, bảo vệ mơi trường, tiết kiệm chi phí sản xuất, với lý mà em chọn đề tài để nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu: chế tạo vật liệu compozit sinh học từ nhựa Poly (lactic axit) (PLA) mùn cưa gỗ đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ đến tính chất học vật liệu chế tạo, sở xác định tỷ bột gỗ pha trộn phù hợp nhằm tăng độ bền học vật liệu có khả ứng dụng cơng nghệ in 3D-FDM, - Tóm tắt đọng nội dung đóng góp tác giả: Luận văn tìm hiểu cơng trình nghiên cứu, chế tạo vật liệu compozit sinh học PLA ứng dụng công nghệ in 3D Trên sở đó, đề tài xác định vấn đề tồn độ bền học phụ thuộc vào hàm lượng chất độn tự nhiên (sợi, bột gỗ) ảnh hưởng kích thước chất độn (sợi, bột gỗ) đến khả in 3D vật liệu compozit sinh học PLA để nghiên cứu, xác định kích thước bột gỗ tỷ lệ pha trộn phù hợp làm tăng độ bền học khả in vật liệu Ngoài ra, tác giả nhận thấy nguồn nguyên liệu bột gỗ ngành sản xuất công nghiệp chế biến gỗ, mỹ nghệ nước phổ biến chủ yếu sử dụng làm chất đốt, gây ô nhiễm mơi trường lãng phí nguồn tài ngun Chính vậy, tác giả nghiên cứu, sử dụng loại mùn cưa bột gỗ xử lý nghiền 63 nhỏ, lọc rửa (với kích thước bột gỗ khoảng 10µm) làm chất độn đảm bảo có khả ứng dụng công nghệ in 3D - Phương pháp nghiên cứu: kế thừa có chọn lọc tài liệu cơng trình nghiên cứu nước giới có liên quan đến vấn đề nghiên cứu, tiến hành khảo sát, đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ bột gỗ pha trộn tính chất vật lý, học, cấu trúc tinh thể, Phân tích vi cấu trúc, tính chất nhiệt, tính chất lưu biến vật liệu Polymer compozit cốt gỗ PLA có khả ứng dụng công nghệ in 3D-FDM - Kết luận: Nghiên cứu sử dụng mùn cưa làm chất độn chế tạo vật liệu compozit sinh học gốc PLA góp phần cải thiện mơi trường tăng giá trị sử dụng mùn cưa Mặc dù có mặt mùn cưa làm ảnh hưởng đến đặc tính học vật liệu compozit PLA kết nghiên cứu cho thấy tỷ lệ mùn cưa 20 % thêm vào vật liệu compozit PLA độ bền va đập vật liệu tăng Các hạt mùn cưa phân bố PLA, với đường kính kích thước hạt gỗ khoảng 10 µm, đường kính sợi compozit PLA/BG khoảng mm Đây kết ban đầu quan trọng cho thấy vật liệu compozit PLA/BG có tiềm ứng dụng cơng nghệ in 3D-FDM 64
Ngày đăng: 03/06/2023, 08:31
Xem thêm:
