Разработка и характеризация напечатанного на 3D-принтере вторичного полипропилена, наполненного шелухой какао-бобов, для экологически устойчивых композитов.
Development and Characterization of a 3D Printed Cocoa Bean Shell Filled Recycled Polypropylene for Sustainable Composites.
Maria A Morales, Alejandro Maranon, Camilo Hernandez, Alicia Porras
Аннотация (перевод)
Композиты на основе натуральных наполнителей представляют собой экологически чистую и потенциально устойчивую альтернативу синтетическим или пластиковым аналогам. Переработка полимеров и использование агропромышленных отходов — это меры, способствующие переходу к экономике замкнутого цикла. Таким образом, в данной работе представлены разработка и определение характеристик филамента для 3D-печати на основе вторичного полипропилена и шелухи какао-бобов, что ранее еще не исследовалось. Полученные композиты были охарактеризованы термически и физически. Кроме того, на напечатанных на 3D-принтере образцах были проведены анализ эффекта коробления, механический и морфологический анализы. Термический анализ продемонстрировал снижение термической стабильности при добавлении частиц шелухи какао-бобов (CBS) вследствие содержания в них лигноцеллюлозы. Было выявлено снижение как энтальпии плавления, так и степени кристалличности. Это вызвано увеличением аморфных структур, присутствующих в гемицеллюлозе и лигнине CBS. Механические испытания показали сильную зависимость механических свойств от угла растра 3D-печати. Прочность на растяжение увеличивалась при использовании угла растра 0° по сравнению с образцами, напечатанными под углом 90°, из-за направления нагрузки. Прочность на растяжение и деформация при разрушении улучшились при добавлении CBS в образцах, напечатанных под углом 90°, а также было достигнуто лучшее сцепление между соседними слоями. Снимки с электронного микроскопа определили разрушение частиц, отслоение наполнителя от матрицы и разрушение матрицы в качестве основных механизмов разрушения. Эти механизмы разрушения объясняются слабым межфазным сцеплением между частицами CBS и матрицей, что привело к снижению прочностных свойств при растяжении образцов, напечатанных под углом 0°. С другой стороны, процесс печати показал, что частицы шелухи какао-бобов снизили на 67% характерный эффект коробления вторичного полипропилена при 3D-печати, что выгодно для применения rPP в 3D-печати. Таким образом, могут быть разработаны перспективные устойчивые композитные филаменты с натуральным наполнителем для 3D-печати с низкой плотностью и низкой стоимостью, повышающие ценность агропромышленных и пластиковых отходов.
Оригинальная аннотация
Natural filler-based composites are an environmentally friendly and potentially sustainable alternative to synthetic or plastic counterparts. Recycling polymers and using agro-industrial wastes are measures that help to achieve a circular economy. Thus, this work presents the development and characterization of a 3D printing filament based on recycled polypropylene and cocoa bean shells, which has not been explored yet. The obtained composites were thermally and physically characterized. In addition, the warping effect, mechanical, and morphological analyses were performed on 3D printed specimens. Thermal analysis exhibited decreased thermal stability when cacao bean shell (CBS) particles were added due to their lignocellulosic content. A reduction in both melting enthalpy and crystallinity percentage was identified. This is caused by the increase in the amorphous structures present in the hemicellulose and lignin of the CBS. Mechanical tests showed high dependence of the mechanical properties on the 3D printing raster angle. Tensile strength increased when a raster angle of 0° was used, compared to specimens printed at 90°, due to the load direction. Tensile strength and fracture strain were improved with CBS addition in specimens printed at 90°, and better bonding between adjacent layers was achieved. Electron microscope images identified particle fracture, filler-matrix debonding, and matrix breakage as the central failure mechanisms. These failure mechanisms are attributed to the poor interfacial bonding between the CBS particles and the matrix, which reduced the tensile properties of specimens printed at 0°. On the other hand, the printing process showed that cocoa bean shell particles reduced by 67% the characteristic warping effect of recycled polypropylene during 3D printing, which is advantageous for 3D printing applications of the rPP. Thereby, potential sustainable natural filler composite filaments for 3D printing applications with low density and low cost can be developed, adding value to agro-industrial and plastic wastes.
Идентификаторы
Canonical: https://research.holos.house/w/443eb602-fc0c-43d9-9ad2-c8bb25290837
DOI: 10.3390/polym13183162