توسعه و تحلیل فیلامنت چاپ سه‌بعدی ضدمیکروبی از کامپوزیت پوسته بادام‌زمینی و PLA

فهرست مطالب

1. مقدمه و مرور کلی

این پژوهش، توسعه یک فیلامنت نوآورانه چاپ سه‌بعدی را با ترکیب پودر پوسته بادام‌زمینی (ذرات Arachis hypogaea L. - AHL) درون یک ماتریس پلیمری پلی‌لاکتیک اسید (PLA) ارائه می‌دهد. هدف اصلی، ایجاد یک ماده کامپوزیتی پایدار است که از فراوانی زیست‌توده پوسته بادام‌زمینی بهره می‌برد تا ویژگی‌های منحصربه‌فردی به فیلامنت استاندارد PLA ببخشد. این کامپوزیت در پی بهبود مشخصات مکانیکی فیلامنت، به‌طور خاص مدول الاستیسیته آن، و همزمان ایجاد ویژگی‌های ذاتی ضدمیکروبی است—ویژگی‌ای که در PLA خالص وجود ندارد. این کار به تقاضای رو به رشد در ساخت افزایشی برای موادی پاسخ می‌دهد که نه تنها عملکرد بالا داشته و از طریق ساخت فیلامنت ذوبی (FFF) قابل چاپ هستند، بلکه از نظر زیستمحیطی آگاهانه بوده و برای کاربرد در دستگاه‌های زیست‌پزشکی، بسته‌بندی ایمن مواد غذایی و سایر حوزه‌های حساس به بهداشت، از نظر عملکردی پیشرفته‌اند.

2. روش‌شناسی و سنتز مواد

2.1 آماده‌سازی ذرات Arachis hypogaea L. (AHL)

پوسته‌های بادام‌زمینی تهیه، تمیز و خشک شدند تا رطوبت آن‌ها حذف شود. سپس به‌طور مکانیکی آسیاب و الک شدند تا توزیع اندازه ذرات یکنواختی حاصل شود که برای پراکندگی یکنواخت درون مذاب پلیمری حیاتی است. پودر به‌طور بالقوه تحت تیمار قرار گرفت (مثلاً از طریق تیمار قلیایی یا سیلان) تا چسبندگی بین‌سطحی با ماتریس PLA بهبود یابد، اگرچه فایل PDF این را به عنوان یک گام بهینه‌سازی آتی پیشنهاد می‌کند.

2.2 فرآیند ساخت فیلامنت کامپوزیتی

گرانول‌های PLA و پودر AHL با کسرهای جرمی از پیش تعیین شده (مثلاً ۱٪، ۳٪، ۵٪ وزنی) به‌صورت خشک مخلوط شدند. سپس مخلوط به یک اکسترودر دوپیچ برای آمیزه‌سازی مذاب تغذیه شد. پارامترهای فرآیند—پروفیل دما، سرعت پیچ و زمان ماند—بهینه‌سازی شدند تا اطمینان حاصل شود که PLA به‌درستی ذوب شده و ذرات AHL به‌طور همگن پراکنده شده‌اند بدون آنکه تخریب حرارتی رخ دهد. ماده آمیزه‌سازی شده سپس گرانوله شد و مجدداً از طریق یک اکسترودر فیلامنت تک‌پیچی اکسترود گردید تا فیلامنتی با قطر ۱.۷۵ ± ۰.۰۵ میلی‌متر تولید شود که مناسب چاپگرهای سه‌بعدی استاندارد FFF است.

3. مشخصه‌یابی مواد و نتایج

3.1 تحلیل خواص مکانیکی

آزمون‌های کششی بر روی فیلامنت‌های PLA خالص و کامپوزیت PLA-AHL مطابق با استاندارد ASTM D638 انجام شد. نتایج یک بده‌بستان کلیدی را نشان داد:

• بهبود مدول الاستیسیته: گنجاندن ذرات AHL به عنوان یک تقویت‌کننده عمل کرد و سفتی (مدول الاستیسیته) کامپوزیت را افزایش داد. این را می‌توان به‌صورت مفهومی با قانون مخلوط‌ها برای کران بالا مدل کرد: $E_c = V_f E_f + V_m E_m$، که در آن $E_c$، $E_f$ و $E_m$ به ترتیب مدول کامپوزیت، پرکننده و ماتریس هستند و $V$ نشان‌دهنده کسرهای حجمی است.
• کاهش چقرمگی شکست: با افزایش کسر جرمی AHL، چقرمگی شکست و استحکام کششی نهایی کاهش جزئی نشان دادند. این امر به معرفی ریزحفره‌ها و نقاط تمرکز تنش در اطراف فصل مشترک ذره-ماتریس نسبت داده می‌شود که ماده را شکننده‌تر می‌کند. معیار گریفیت برای شکست ترد، $\sigma_f = \sqrt{\frac{2E\gamma}{\pi a}}$، نشان می‌دهد که چگونه عیوب (با اندازه $a$) تنش شکست ($\sigma_f$) را کاهش می‌دهند.

3.2 خواص فیزیکی و ریخت‌شناسی

آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از سطوح شکست، بافت زبرتر و وجود ریزحفره‌ها در کامپوزیت را نشان داد که با کاهش چقرمگی همبستگی دارد. اندازه‌گیری‌های تخلخل، شاخص جریان مذاب (MFI) و ترشوندگی سطحی (زاویه تماس) انجام شد. MFI با افزودن AHL کاهش یافت که نشان‌دهنده ویسکوزیته مذاب بالاتر است و این بر قابلیت چاپ تأثیر می‌گذارد. زبری سطح افزایش یافت که می‌تواند برای چسبندگی سلولی خاص در زمینه زیست‌پزشکی مفید باشد اما برای دستیابی به پرداخت سطح صاف مضر است.

3.3 ارزیابی کارایی ضدمیکروبی

خواص ضدمیکروبی در برابر باکتری‌های رایج گرم‌مثبت و گرم‌منفی (مانند E. coli، S. aureus) با استفاده از آزمون‌های هاله عدم رشد یا آزمون‌های تماس مستقیم ارزیابی شد. نمونه‌های چاپ سه‌بعدی شده از فیلامنت PLA-AHL اثر بازدارندگی واضحی نشان دادند که تأیید می‌کند ترکیبات زیست‌فعال درون پوسته‌های بادام‌زمینی (احتمالاً فنولیک‌ها یا سایر متابولیت‌های ثانویه) پس از فرآیند حرارتی چاپ سه‌بعدی همچنان فعال باقی مانده‌اند. این یافته‌ای مهم است، زیرا بسیاری از افزودنی‌های طبیعی در طول فرآوری دمابالا عملکرد خود را از دست می‌دهند.

4. تحلیل فنی و چارچوب

4.1 بینش اصلی

این صرفاً یک کامپوزیت "سبز" دیگر نیست؛ بلکه یک بازمهندسی استراتژیک مواد است که با موفقیت یک ویژگی حاشیه‌ای و اغلب بیش‌ازحد مشخص‌شده (استحکام کششی نهایی در کاربردهای استاتیک) را با دو ویژگی باارزش و متمایزکننده بازار معامله می‌کند: سفتی بهبودیافته و فعالیت ضدمیکروبی درونی. این پژوهش به‌طور زیرکانه‌ای از یک جریان زائد کشاورزی کم‌مصرف و بدون هزینه بهره می‌برد تا عملکردی اضافه کند و از روایت معمول پایداری فراتر رفته و به سمت افزایش عملکرد حرکت می‌کند. در بازاری که از PLA و ABS ساده اشباع شده، این یک جایگاه مشخص ایجاد می‌کند.

4.2 جریان منطقی

منطق این مطالعه از نظر صنعتی مستحکم است: ۱) شناسایی یک زیست‌توده زائد با خواص زیست‌فعال مشکوک (پوسته بادام‌زمینی). ۲) فرضیه‌سازی نقش دوگانه آن به عنوان یک تقویت‌کننده مکانیکی و عامل عملکردی. ۳) به‌کارگیری آمیزه‌سازی پلیمری استاندارد و اکستروژن فیلامنت—یک فرآیند مقیاس‌پذیر با سرمایه‌گذاری اولیه کم—برای ایجاد کامپوزیت. ۴) اعتبارسنجی سیستماتیک فرضیه با آزمایش خواص مکانیکی، فیزیکی و بیولوژیکی. این جریان، پروتکل‌های توسعه کامپوزیت تثبیت‌شده، همانند آنچه در کارهای مربوط به چوب-PLA یا الیاف کربن-PLA دیده می‌شود، را منعکس می‌کند اما با چرخشی عمدی به سمت زیست‌عملکردی. تصمیم به استفاده از FFF، که در دسترس‌ترین فناوری ساخت افزایشی است، برای تجاری‌سازی بالقوه یک حرکت استادانه است.

4.3 نقاط قوت و ضعف

نقاط قوت: ویژگی فروش منحصربه‌فرد (USP) این ماده انکارناپذیر است: بهبود سفتی و عمل ضدمیکروبی همزمان از یک پرکننده ارزان و واحد. فرآیند مقیاس‌پذیر است و با زیرساخت‌های تولید موجود سازگاری دارد. استفاده از PLA به عنوان ماتریس اطمینان می‌دهد که ماده پایه زیست‌تخریب‌پذیر و از منابع تجدیدپذیر باقی می‌ماند که برای سرمایه‌گذاران و مصرف‌کنندگان متمرکز بر ESG جذاب است.

نقاط ضعف: بده‌بستان چقرمگی یک محدودیت مهندسی واقعی است. افزایش گزارش‌شده در ریزحفره‌ها و زبری سطحی، نشان‌دهنده چسبندگی ناکافی بین‌سطحی و احتمالاً تجمع ذرات است—مسائل کلاسیک در کامپوزیت‌های ذره‌ای. این مطالعه، همان‌طور که ارائه شده، احتمالاً فاقد داده‌های پایداری بلندمدت است: آیا ترکیبات ضدمیکروبی نشت می‌کنند؟ آیا عملکرد ماده در معرض رطوبت یا پرتو فرابنفش تخریب می‌شود؟ علاوه بر این، مکانیسم ضدمیکروبی اشاره شده اما به‌طور عمیق روشن نشده است؛ آیا مبتنی بر تماس است یا از طریق نشت؟ این ابهام برای تأییدیه‌های نظارتی در دستگاه‌های پزشکی مهم است.

4.4 بینش‌های عملی

برای تیم‌های تحقیق و توسعه: گام بعدی فوری، مهندسی فصل مشترک است. تیمارهای سطحی (سیلان‌ها، PLA پیوندخورده با انیدرید مالئیک) را بر روی ذرات AHL اعمال کنید تا چسبندگی بهبود یابد، تشکیل حفره کاهش یابد و به‌طور بالقوه از دست دادن چقرمگی کاسته شود. سیستم‌های پرکننده هیبریدی—ترکیب AHL با مقدار کمی نانوسلولز یا الاستومرها—را بررسی کنید تا یک پروفایل ویژگی متعادل‌تر ایجاد شود.

برای مدیران محصول: کاربردهایی را هدف قرار دهید که در آن‌ها سفتی و کنترل عفونت حیاتی است و پرداخت سطحی در درجه دوم اهمیت قرار دارد. به این موارد فکر کنید: بریس‌های ارتوپدی سفارشی، دسته ابزار بیمارستانی، لاینرهای پروتز، یا اجزای تجهیزات فرآوری مواد غذایی. از کاربردهایی که نیازمند مقاومت بالای ضربه یا شفافیت نوری هستند پرهیز کنید.

برای سرمایه‌گذاران: این یک فناوری پلتفرمی است. مفهوم اصلی—استفاده از زائدات کشاورزی عملکردی در پلیمرها—قابل گسترش است. دور بعدی تأمین مالی باید بر تولید در مقیاس پایلوت، آزمایش‌های مکانیکی/بیولوژیکی مطابق استاندارد ISO و آغاز گفت‌وگوهای نظارتی FDA/CE برای دستگاه‌های پزشکی کلاس I متمرکز شود.

5. کاربردهای آینده و جهت‌های توسعه

کاربردهای بالقوه برای فیلامنت PLA-AHL قابل توجه است، به‌ویژه در بخش‌هایی که بهداشت و پایداری مورد نیاز است:

• دستگاه‌های زیست‌پزشکی: چاپ راهنماهای جراحی سفارشی و مختص بیمار، پروتزهای غیرکاشتنی، یا اجزای تجهیزات بیمارستانی که در برابر استقرار میکروبی مقاومت می‌کنند.
• بسته‌بندی و دست‌کاری مواد غذایی: ایجاد ظروف، وسایل یا دسته‌های سفارشی زیست‌تخریب‌پذیر و ضدمیکروبی برای ماشین‌آلات فرآوری مواد غذایی.
• کالاهای مصرفی: اسباب‌بازی‌ها، لوازم آشپزخانه، یا دسته‌های لوازم مراقبت شخصی که در آن‌ها خواص ضدمیکروبی ارزش افزوده ایجاد می‌کند.
• جهت‌های پژوهشی آینده:
  1. بهینه‌سازی تیمار سطح ذرات برای بهبود چسبندگی بین‌سطحی و افزایش چقرمگی.
  2. بررسی پایداری بلندمدت و پروفایل نشت ترکیبات ضدمیکروبی.
  3. بررسی هم‌افزایی AHL با سایر پرکننده‌های عملکردی (مانند نانوکریستال‌های سلولز برای استحکام، ذرات مس برای اثر زیست‌کشی تقویت‌شده).
  4. توسعه راهبردهای چاپ سه‌بعدی چندماده‌ای که در آن تنها لایه سطحی حاوی کامپوزیت AHL است برای کارایی هزینه و عملکرد.
  5. انجام ارزیابی چرخه حیات کامل (LCA) برای کمی‌سازی مزایای زیست‌محیطی در مقایسه با پلاستیک‌های ضدمیکروبی سنتی.

6. مراجع

1. Gibson, I., Rosen, D., & Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer.
2. Ngo, T. D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K. T. Q., & Hui, D. (2018). Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering, 143, 172-196.
3. Farah, S., Anderson, D. G., & Langer, R. (2016). Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications — A comprehensive review. Advanced Drug Delivery Reviews, 107, 367-392.
4. Mazzanti, V., Malagutti, L., & Mollica, F. (2019). FDM 3D printing of polymers containing natural fillers: A review of their mechanical properties. Polymers, 11(7), 1094.
5. Ahmed, W., Alnajjar, F., Zaneldin, E., Al-Marzouqi, A. H., Gochoo, M., & Khalid, S. (2020). Implementing FDM 3D printing strategies using natural fibers to produce biomass composite. Materials, 13(18), 4065.
6. U.S. Department of Agriculture. (2023). Peanut Stocks and Processing. National Agricultural Statistics Service. [منبع خارجی نمونه]
7. ASTM International. (2022). ASTM D638-22: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.