CN109569529A - 一种生物基3d打印吸附材料的制备方法 - Google Patents

一种生物基3d打印吸附材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种生物基3D打印吸附材料的制备方法，由以下方法制得：通过水热法与模压发泡相结合，得到表面微炭化膨化植物纤维，反应过程中添加修饰剂实现功能化，再与树脂通过双螺杆熔融共混后，经单螺杆挤出收卷成线材，线材经3D打印机打成不同形状结构吸附剂。本发明利用生物质资源制备3D打印吸附材料，原料来源广泛、易于自然降解及再生，制备方法简单，吸附效果好，可应用于污水、空气和土壤中有机污染物及重金属的吸附。

Description

一种生物基3D打印吸附材料的制备方法
技术领域
本发明属于环境处理技术领域，具体涉及一种生物基3D打印吸附材料的制备方法。
背景技术
随着工业化进程加速，能源短缺和环境污染问题日益突出。水体污染一直是一个严重的环境问题，水体中即使是微量重金属、染料、药物对人体损害都是极大的。在现有众多水处理技术中，吸附是最简单、经济有效的方法之一。目前，研究人员开发了诸多新型吸附材料，如生物吸附剂、聚合物、金属氧化物、纳米材料、化学改性吸附剂等。这些中大部分高效吸附剂多为粉体或颗粒，为回收增加了难度。昂贵的原料成本、复杂的合成工艺、难回收再利用等因素限制了这些高效吸附剂的实际应用。因此，很有必要研究可低成本制造且可高效脱附回收再利用的吸附剂。
3D打印是一种新型的智能制造技术，相比传统成型方式相比，具有快速制备、精细化制造、材料利用率高等优点。其中熔融沉积成型(FDM) 最为普及的3D打印技术，它可将高分子材料打印成复杂结构的器件。
水热炭化技术是一种新型的生物质炭化技术，不受物料含水率的限制、制备过程简单，因而转化成本较低。水热法是在密闭的高压反应釜中，以水为反应介质，在一定温度和压强下将水热反应釜内的生物质转化为水热炭的过程。水热炭化的反应条件相对温和，脱水脱羧是一个放热过程，可为水热反应提供部分的能量，因此，水热炭化技术能耗较低。另外，生物质水热炭化产生的焦炭含有大量的含氧、含氮官能团，焦炭表面的吸水性和金属吸附性相对较强。膨化，一种加工方法。让原料在加热、加压的情况下突然减压而使之膨胀。含水分或淀粉物料加热加压后，突然卸除外力和热源，使其迅速膨胀的过程。
本发明通过水热法与热压发泡技术相结合，用热压磨具替代水热反应釜进行水热反应，在适当的反应条件下处理，实现表面微炭化，形成多孔表面；同时利用开模瞬间的压力差，内部水分气化产生压力，导致植物纤维开始膨胀开裂成丝，实现植物纤维的膨化，提高纳米纤丝化程度；表面功能化，修饰功能基团，提高吸附性能。将制备的植物纤维吸附剂与生物树脂相结合，再通过3D打印构建不同结构吸附剂，一方面提高了比表面积，另一方面器件化松散的纤维吸附剂，利于回收再利用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种生物基3D打印吸附材料的制备方法。
为了实现本发明，具体技术方案如下：
一种生物基3D打印吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将适量植物纤维放入热压磨具中，加添加剂溶液浸没，在80~150 ℃，压强5~15Mpa，水热反应0.5~12 h，反应完成后用去离子水洗净、烘干，得到微炭化的功能膨化植物纤维；
(2)按配比将步骤(1)中得到的功能膨化植物纤维与生物基树脂的混匀后加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，挤出造粒，得到线材母粒；
(3)将步骤(2)中得到的线材母粒加入到单螺杆挤出机中进行加工，挤出的丝水冷冷却，通过牵引机牵引并控制出丝线径，得到的3D打印线材再通过打印机打印成不同的吸附剂。
所述的植物纤维选自谷壳、秸秆、棉花秆、木屑或竹屑中的一种或多种。
所述的加添加剂溶液浸没中添加剂与水的体积比为：1:4~10，添加剂为乙酸酐、醋酸、氨水中的一种。
所述的功能膨化植物纤维与生物基树脂的质量配比为：1~20:20。
所述的生物基树脂选自聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二脂(PCL)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)或松香树脂中的一种或多种。
所述双螺杆挤出机参数为：温度60~180 ℃，转速为50~250 rpm。
所述单螺杆挤出机参数为：温度60~180 ℃，转速为10~100 rpm。
本发明上述的生物基3D打印吸附材料的制备方法或所述的制备方法制得的生物基3D打印吸附材料的应用，其特征在于，作为罗丹明B吸附剂的应用。
采用上述技术方案后，本发明具有如下特点和优点：1、制备方法简单高效，可制成复杂结构的吸附剂；2、原料来源广泛，完全可降解；3、吸附效果好，可吸附污水、空气和土壤中有机污染物及重金属。
附图说明
图1是应用本发明实施例1所制备的3D打印线材打印成型产品图。
图2是应用本发明实施例1所制备的3D打印线材打印成型产品对罗丹明B吸附曲线。
具体实施方式
实施例1
(1)将1 kg竹粉放入热压磨具中，加20 wt%醋酸水溶液浸没，在120℃，压强10 Mpa下，水热反应2 h，反应完成后用去离子水洗净，60 ℃烘干，得到微炭化的功能膨化植物纤维；
(2)将(1)中得到功能膨化植物纤维1 kg与PLA 1 kg混匀后加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，双螺杆挤出机参数为：一区100℃，二区110℃，三区130℃，四区140℃，五区150℃，六区160℃，七区170℃，八区170℃，九区160℃，模头150℃，转速为200 rpm，挤出造粒，得到线材母粒；
(3)将2.0 kg线材母粒加入到单螺杆挤出机中进行加工，单螺杆挤出机参数为：一区160℃，二区170℃，三区170℃，四区160℃，转速为50 rpm，挤出的丝水冷冷却，通过牵引机牵引并控制出丝线径，得到3D打印线材，通过3D打印机（FDM）打印成镂空小方块，打印温度为180℃。
将所得到的表面多孔的镂空小方块如图1加入到50 mL浓度为100 mg/L的罗丹明B溶液中，搅拌使其达到吸附平衡后，具体如图2所示，图中显示吸附效果好。
实施例2
(1)将1 kg木粉放入热压磨具中，加20 wt%氨水溶液浸没，在110℃，压强8 Mpa下，水热反应6 h，反应完成后用去离子水洗净，60 ℃烘干，得到微炭化的功能膨化植物纤维；
(2)将(1)中得到功能膨化植物纤维1 kg与PLA 1 kg混匀后加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，双螺杆挤出机参数为：一区100℃，二区110℃，三区130℃，四区140℃，五区150℃，六区160℃，七区170℃，八区170℃，九区160℃，模头150℃，转速为200 rpm，挤出造粒，得到线材母粒；
(3)将2.0 kg线材母粒加入到单螺杆挤出机中进行加工，单螺杆挤出机参数为：一区160℃，二区170℃，三区170℃，四区160℃，转速为50 rpm，挤出的丝水冷冷却，通过牵引机牵引并控制出丝线径，通过3D打印机（FDM）打印成镂空小方块，打印温度为180℃。
实施例3
(1)将1 kg小麦秸秆放入热压磨具中，加20 wt%乙酸酐水溶液浸没，在120℃，压强10Mpa下，水热反应1 h，反应完成后用去离子水洗净，60 ℃烘干，得到微炭化的功能膨化植物纤维；
(2)将(1)中得到功能膨化植物纤维1 kg与PCL 1 kg混匀后加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，双双螺杆挤出机参数为：一区30℃，二35℃，三区40℃，四区50℃，五区60℃，六区70℃，七区80℃，八区80℃，九区70℃，模头60℃，转速为180 rpm，挤出造粒，得到线材母粒；
(3)将2.0 kg线材母粒加入到单螺杆挤出机中进行加工，单螺杆挤出机参数为：一区70℃，二区80℃，三区80℃，四区70℃，转速为60 rpm，挤出的丝水冷冷却，通过牵引机牵引并控制出丝线径，得到3D打印线材，通过3D打印机（FDM）打印成镂空小方块，打印温度为90℃。
实施例4
(1)将1 kg竹粉放入热压磨具中，加20 wt%氨水溶液浸没，在110℃，压强8 Mpa下，水热反应10 h，反应完成后用去离子水洗净，60 ℃烘干，得到微炭化的功能膨化植物纤维；
(2)将(1)中得到功能膨化植物纤维1 kg与PBAT 1 kg混匀后加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，双螺杆挤出机参数为：一区80℃，二区90℃，三区1030℃，四区110℃，五区120℃，六区130℃，七区140℃，八区140℃，九区130℃，模头120℃，转速为110 rpm，挤出造粒，得到线材母粒；
(3)将2.0 kg线材母粒加入到单螺杆挤出机中进行加工，单螺杆挤出机参数为：一区130℃，二区140℃，三区140℃，四区130℃，转速为50 rpm，挤出的丝水冷冷却，通过牵引机牵引并控制出丝线径，得到3D打印线材，通过3D打印机（FDM）打印成镂空小方块，打印温度为160℃。

Claims (8)

1.一种生物基3D打印吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将适量植物纤维放入热压磨具中，加添加剂溶液浸没，在80~150 ℃，压强5~15Mpa，水热反应0.5~12 h，反应完成后用去离子水洗净、烘干，得到微炭化的功能膨化植物纤维；
(2)按配比将步骤(1)中得到的功能膨化植物纤维与生物基树脂的混匀后加入到双螺杆挤出机中进行熔融共混，挤出造粒，得到线材母粒；
(3) 将步骤(2)中得到的线材母粒加入到单螺杆挤出机中进行加工，挤出的丝水冷冷却，通过牵引机牵引并控制出丝线径，得到的3D打印线材再通过打印机打印成不同的吸附剂。
2.根据权利要求1所述的一种生物基3D打印吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的植物纤维选自谷壳、秸秆、棉花秆、木屑或竹屑中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种生物基3D打印吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的加添加剂溶液浸没中的添加剂与水的体积比为：1:4~10，添加剂为乙酸酐、醋酸、氨水中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种生物基3D打印吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的功能膨化植物纤维与生物基树脂的质量配比为：1~20:20。
5.根据权利要求1或4所述的一种生物基3D打印吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的生物基树脂选自聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二脂(PCL)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)或松香树脂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种生物基3D打印吸附材料的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机参数为：温度60~180 ℃，转速为50~250 rpm。
7.根据权利要求1所述的一种生物基3D打印吸附材料的制备方法，其特征在于，所述单螺杆挤出机参数为：温度60~180 ℃，转速为10~100 rpm。
8.权利要求1-7任一所述的生物基3D打印吸附材料的制备方法或权利要求1-7任一所述的制备方法制得的生物基3D打印吸附材料的应用，其特征在于，作为罗丹明B吸附剂的应用。
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