3D打印PLA螺旋面过滤器支架：制造、力学响应及水热炭沉积筛选

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：3D-Printed PLA Gyroid Filter Supports: Manufacturing, Mechanical Response and Hydrochar Deposition Screening

　　

本研究探讨了3D打印聚乳酸（PLA）圆柱形过滤器支架的设计、制造及制造/力学表征，这些支架开发用于后续水热炭功能化的基底。研究人员通过材料挤出增材制造技术制造了外径30 mm、高度20 mm、壁厚3 mm的过滤器，其内部填充了在Bambu Studio软件中生成的三种密度水平（10%、15%和20%）的螺旋面（Gyroid）结构。首先评估了打印过滤器的重量和压缩响应。研究主要关注螺旋面支架的制造一致性和力学响应，而水热炭沉积被视为初始功能化筛选步骤。结果表明，增加螺旋面密度导致最大压缩应力升高，而质量归一化分析揭示了绝对力学阻力与材料效率之间的权衡。随后，在平面PLA试样上进行了表面处理筛选试验，以评估藻类来源的水热炭能否在碱活化后保留在PLA上。视觉和扫描电子显微镜（SEM）观察显示，部分且不均匀的水热炭相关表面覆盖，存在局部团聚体以及对原始打印线条的部分掩盖，但未形成均匀涂层。对选定团聚体的能量色散X射线光谱（EDX）分析显示，碳（C）和氧（O）与钠（Na）、氯（Cl）、钾（K）和钙（Ca）共存，支持了处理后的PLA表面上存在水热炭相关/含矿物质沉积物，但K也可能与KOH活化步骤中的残留物种有关。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析未显示清晰的水热炭相关光谱特征，表明仅FTIR不足以证明有效的均匀表面功能化，并支持了表面保留不均匀的解释。总体而言，本研究为旨在用于水热炭沉积的PLA螺旋面过滤器支架提供了首个以制造为导向的基础，并强调了在后续功能验证之前需要改进表面活化策略。

**论文解读：3D打印PLA螺旋面过滤器支架的制造、力学响应及水热炭沉积筛选**

**1. 研究背景与问题**

增材制造（AM）技术已从原型制造发展为能够生产功能性部件的成熟工艺，其层状特性允许设计复杂的内部几何结构，如三周期极小曲面（TPMS）结构。螺旋面（Gyroid）结构作为TPMS的一种，因其连续、互连的形态和高比表面积，在流体传输和表面介导相互作用中具有潜力，适用于过滤器、催化剂载体等应用。然而，将AM与功能材料结合时，面临聚合物基底（如聚乳酸PLA）表面化学惰性、光滑及活性相锚定困难的问题。水热炭（Hydrochar）作为一种生物质衍生的碳质吸附剂，在水处理中具有前景，但其在PLA表面的均匀沉积尚未解决。现有研究指出，PLA的表面活化（如碱处理）可引入极性基团并增加粗糙度，但处理条件需优化以避免结构损伤。因此，本研究旨在建立3D打印PLA螺旋面过滤器支架的制造工艺基础，评估其制造一致性和力学响应，并初步探索水热炭沉积的可行性，为后续功能化验证提供依据。

**2. 主要技术方法**

研究人员采用材料挤出增材制造技术（熔丝制造FFF），以商用PLA丝材为原料，使用Bambu Lab A1 mini打印机和Bambu Studio软件，制造了外径30 mm、高度20 mm、壁厚3 mm的圆柱形过滤器，内部填充三种密度水平（10%、15%、20%）的螺旋面结构。打印参数固定（层高0.12 mm，壁循环数4，速度设置等），仅改变螺旋面填充密度。力学测试采用准静态压缩试验（Zwick/Roell万能试验机，600 kN传感器，4 mm/min），记录应力-应变曲线并提取弹性模量、峰值应力、平台应力、能量吸收等参数。水热炭沉积筛选在平面PLA试样（30 mm×10 mm×2 mm）上进行：先以0.5 M KOH溶液室温处理24 h进行碱活化，再浸入海藻来源水热炭（Dictyota fasciola经180°C、1 h水热碳化制得）悬浮液（1 mg/mL）中2 h。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析表面形貌和元素组成，傅里叶变换红外光谱（FTIR）评估化学变化。

**3. 研究结果**

**3.1 制造一致性与重量分析**
通过对比理论质量与实测质量，发现所有密度水平下两者偏差极小（10%：偏差约1.9%；15%：1.6%；20%：0.5%），表明制造一致性良好。实测质量随密度增加：10%为5.09 g，15%为5.71 g，20%为6.45 g（增加约26.8%）。打印时间从99 min（10%）增至167 min（20%）（增加约68.7%），表明密度增加对制造时间的惩罚强于材料消耗，存在设计权衡。

**3.2 压缩测试**
所有配置的应力-应变曲线呈现典型蜂窝材料特征：初始线性弹性区、第一峰值应力、后峰值软化及渐进坍塌后的应变硬化。峰值应力随密度显著增加：10%为19.67±0.11 MPa，15%为21.37±0.12 MPa，20%为23.10±0.15 MPa（单因素方差分析F(2,6)=535.01，p=1.73×10^-7，Tukey事后检验所有对比p<0.001）。质量归一化峰值应力则呈现相反趋势：10%为3868.0 MPa/kg，15%为3740.4 MPa/kg，20%为3581.4 MPa/kg，表明密度增加降低质量效率。其他参数：表观弹性模量从479.9±17.9 MPa（10%）增至584.8±19.5 MPa（20%）；平台应力（0.20≤ε≤0.40）从10.24±0.35 MPa（10%）增至12.15±0.98 MPa（15%），但20%为12.01±0.78 MPa，差异不显著；能量吸收（ε=0.60）从7.24±0.27 MJ/m³（10%）增至8.85±0.67 MJ/m³（20%）；ε=0.60处应力从14.17±1.97 MPa（10%）增至21.86±0.72 MPa（20%）。失效模式分析显示所有配置均经历渐进坍塌、中心鼓胀和最终压实，无脆性断裂，表明密度影响应力水平而非变形机制。

**3.3 水热炭沉积筛选（平面PLA试样）**
视觉观察显示经KOH处理和水热炭暴露后，PLA表面出现不均匀暗化，无均匀涂层。SEM观察到原始打印线条被部分掩盖，存在局部团聚体。EDX分析选定团聚体显示C、O及Na、Cl、K、Ca，支持水热炭相关矿物质沉积，但K可能来自KOH残留。FTIR光谱中，KOH处理及水热炭沉积后的样品均以PLA特征峰为主（1750 cm^-1酯羰基，1180-1000 cm^-1 C-O-C），未发现清晰的水热炭相关吸收峰，表明沉积物不均匀且不连续，无法产生可分辨光谱特征。

**4. 讨论与结论**

**讨论总结**：研究指出，当前KOH活化路线未能在PLA表面实现均匀水热炭涂层，这限制了功能化转移至实际螺旋面过滤器。未来需优化表面活化策略（如改变KOH浓度/时间、溶剂处理、等离子体活化或使用中间层），并引入定量测量（粗糙度、接触角、沉积质量）。同时，应探索其他可打印聚合物基底及不同内部结构，以平衡力学性能与功能化效果。最终功能化验证需包括渗透性、压降、比表面积、动态涂层稳定性及吸附测试。

**研究结论翻译**：本研究解决了3D打印PLA圆柱形过滤器支架（具有螺旋面内部结构）的设计、制造、制造/力学表征及水热炭沉积筛选，这些支架作为后续水热炭功能化的制造导向基底。过滤器通过材料挤出增材制造成功制造，采用固定外几何和三种螺旋面密度水平（10%、15%、20%）。螺旋面密度增加导致材料用量和制造时间明确增加。实测质量从10%的5.09 g增至20%的6.45 g（增加约26.8%），而打印时间从99 min增至167 min（增加约68.7%），表明螺旋面致密化对制造时间的影响强于质量增加，突出了未来过滤器支架优化中的设计权衡。压缩测试显示，增加螺旋面密度改善了过滤器的绝对压缩响应：第一峰值压缩应力从10%的19.67±0.11 MPa增至20%的23.10±0.15 MPa，效应显著（单因素方差分析F(2,6)=535.01，p=1.73×10^-7，Tukey事后检验所有密度水平间差异显著）。从应力-应变曲线提取的附加参数进一步证实了密度依赖性力学响应：表观弹性模量从479.9±17.9 MPa增至584.8±19.5 MPa，能量吸收（ε=0.60）从7.24±0.27 MJ/m³增至8.85±0.67 MJ/m³。同时，质量归一化分析呈现相反趋势：质量归一化最大应力从10%的3868.0 MPa/kg降至20%的3581.4 MPa/kg。因此，20%过滤器提供最高绝对压缩阻力，而10%过滤器显示最高质量比力学效率，15%配置可视为中间解。这证实了螺旋面密度的选择应基于承载能力、材料效率、打印时间和保持内部开放通道之间的折中。压缩过程中观察到的变形序列在所有配置中定性相似，以渐进坍塌、中心鼓胀和最终压实为主，无脆性断裂证据。因此，螺旋面密度主要影响压缩过程中承受的应力水平，而非改变整体变形机制。在平面PLA试样上进行的沉积筛选试验显示，所采用的KOH基处理/沉积路线未在PLA表面产生均匀涂层。SEM观察表明，处理和水热炭暴露后表面形貌显著变化，原始打印线条被部分掩盖，存在局部团聚体。对选定团聚体的EDX分析显示C、O与Na、Cl、K、Ca共存，支持处理后的PLA表面上存在水热炭相关含矿物质沉积物，但K也可能与KOH活化步骤的残留物种有关。然而，沉积物不均匀且不连续，FTIR分析未揭示清晰水热炭相关光谱特征。这些结果不能直接推广至螺旋面过滤器的内表面，其复杂几何需要专门的功能化和验证测试。因此，本研究确定的主要挑战并非PLA螺旋面支架的可制造性或力学稳定性，而是表面功能化路线的优化及其向实际螺旋面结构的转移。总之，工作表明3D打印PLA螺旋面过滤器支架能以良好一致性和可调力学响应制造，为未来水热炭基功能化提供了有前景的结构基础。然而，此阶段未评估过滤性能，因为涂层程序首先需要优化以获得更均匀稳定的水热炭层。未来研究应聚焦于改进的表面活化策略、水热炭负载量和稳定性的定量评估、实际螺旋面过滤器的功能化，以及通过渗透性、压降、比表面积、流通行为、涂层稳定性和吸附测试进行验证。