Pembangunan dan Analisis Filamen Pencetakan 3D Antimikrob daripada Komposit Kulit Kacang-PLA

Kandungan

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Penyelidikan ini membentangkan pembangunan filamen pencetakan 3D baharu dengan menggabungkan serbuk kulit kacang (Zarah Arachis hypogaea L. - AHL) ke dalam matriks polimer Asid Polilaktik (PLA). Objektif utama adalah untuk mencipta bahan komposit mampan yang memanfaatkan kelimpahan biojisim kulit kacang untuk memberikan sifat unik kepada filamen PLA standard. Komposit ini bertujuan untuk meningkatkan profil mekanikal filamen, khususnya modulus keanjalannya, sambil memperkenalkan ciri antimikrob semula jadi—ciri yang tidak wujud dalam PLA tulen. Kajian ini menangani permintaan yang semakin meningkat dalam pembuatan tambahan untuk bahan yang bukan sahaja berprestasi tinggi dan boleh dicetak melalui Fabrikasi Filamen Terlebur (FFF) tetapi juga mesra alam dan maju dari segi fungsi untuk aplikasi dalam peranti biomedikal, pembungkusan selamat makanan, dan domain lain yang kritikal terhadap kebersihan.

2. Metodologi & Sintesis Bahan

2.1 Penyediaan Zarah Arachis hypogaea L. (AHL)

Kulit kacang diperoleh, dibersihkan, dan dikeringkan untuk membuang kelembapan. Ia kemudiannya dikisar secara mekanikal dan ditapis untuk mencapai taburan saiz zarah yang konsisten, penting untuk penyebaran seragam dalam leburan polimer. Serbuk ini berpotensi dirawat (contohnya, melalui rawatan alkali atau silana) untuk meningkatkan lekatan antara muka dengan matriks PLA, walaupun PDF mencadangkan ini sebagai langkah pengoptimuman masa depan.

2.2 Proses Fabrikasi Filamen Komposit

Pelet PLA dan serbuk AHL dicampurkan secara kering pada pecahan jisim yang telah ditetapkan (contohnya, 1%, 3%, 5% berat). Campuran kemudiannya dimasukkan ke dalam penyemperit skru berkembar untuk pengkompaunan leburan. Parameter proses—profil suhu, kelajuan skru, dan masa kediaman—dioptimumkan untuk memastikan peleburan PLA yang betul dan penyebaran zarah AHL yang homogen tanpa degradasi terma. Bahan terkompaun kemudiannya dijadikan pelet dan disemperit semula melalui penyemperit filamen skru tunggal untuk menghasilkan filamen dengan diameter 1.75 ± 0.05 mm, sesuai untuk pencetak 3D FFF standard.

3. Pencirian Bahan & Keputusan

3.1 Analisis Sifat Mekanikal

Ujian tegangan dijalankan ke atas kedua-dua filamen PLA tulen dan komposit PLA-AHL mengikut ASTM D638. Keputusan menunjukkan pertukaran utama:

• Peningkatan Modulus Keanjalan: Penggabungan zarah AHL bertindak sebagai pengukuhan, meningkatkan kekakuan (modulus keanjalan) komposit. Ini boleh dimodelkan secara konseptual oleh Peraturan Campuran untuk had atas: $E_c = V_f E_f + V_m E_m$, di mana $E_c$, $E_f$, dan $E_m$ adalah modulus komposit, pengisi, dan matriks, dan $V$ mewakili pecahan isipadu.
• Pengurangan Keliatan Patah: Dengan peningkatan pecahan jisim AHL, keliatan patah dan kekuatan tegangan muktamad menunjukkan sedikit penurunan. Ini disebabkan oleh pengenalan mikrolompang dan titik tumpuan tegasan di sekitar antara muka zarah-matriks, menjadikan bahan lebih rapuh. Kriteria Griffith untuk patah rapuh, $\sigma_f = \sqrt{\frac{2E\gamma}{\pi a}}$, menonjolkan bagaimana kecacatan (saiz $a$) mengurangkan tegasan patah ($\sigma_f$).

3.2 Sifat Fizikal & Morfologi

Analisis Mikroskopi Elektron Pengimbasan (SEM) pada permukaan patah mendedahkan tekstur yang lebih kasar dan kehadiran mikrolompang dalam komposit, berkorelasi dengan pengurangan keliatan. Pengukuran keliangan, indeks aliran leburan (MFI), dan kebolehbasahan permukaan (sudut sentuh) dilakukan. MFI menurun dengan penambahan AHL, menunjukkan kelikatan leburan yang lebih tinggi, yang mempengaruhi kebolehcetakan. Kekasaran permukaan meningkat, yang boleh bermanfaat untuk lekatan sel tertentu dalam konteks biomedikal tetapi merugikan untuk mencapai kemasan permukaan yang licin.

3.3 Penilaian Keberkesanan Antimikrob

Sifat antimikrob dinilai terhadap bakteria gram-positif dan gram-negatif biasa (contohnya, E. coli, S. aureus) menggunakan ujian zon perencatan atau asai sentuhan langsung. Sampel yang dicetak 3D daripada filamen PLA-AHL menunjukkan kesan perencatan yang jelas, mengesahkan bahawa sebatian bioaktif dalam kulit kacang (kemungkinan fenolik atau metabolit sekunder lain) kekal aktif selepas pemprosesan terma pencetakan 3D. Ini adalah penemuan penting, kerana banyak bahan tambahan semula jadi kehilangan fungsi semasa pemprosesan suhu tinggi.

4. Analisis Teknikal & Kerangka Kerja

4.1 Teras Wawasan

Ini bukan sekadar komposit "hijau" yang lain; ia adalah kejuruteraan semula bahan strategik yang berjaya menukar sifat marginal yang sering terlebih spesifikasi (kekuatan tegangan muktamad dalam aplikasi statik) untuk dua ciri bernilai tinggi yang membezakan pasaran: kekakuan yang dipertingkatkan dan aktiviti antimikrob terbina dalam. Penyelidikan ini dengan bijak memanfaatkan aliran sisa pertanian yang kurang digunakan dan kos sifar untuk menambah fungsi, melangkaui naratif kemampanan biasa kepada peningkatan prestasi. Dalam pasaran yang tepu dengan PLA dan ABS biasa, ini mewujudkan ceruk yang jelas.

4.2 Aliran Logik

Logik kajian ini kukuh dari segi industri: 1) Kenal pasti biojisim sisa dengan sifat bioaktif yang disyaki (kulit kacang). 2) Hipotesiskan peranan dualnya sebagai pengukuhan mekanikal dan agen fungsian. 3) Gunakan pengkompaunan polimer standard dan penyemperitan filamen—proses yang boleh ditingkatkan skala, kos modal rendah—untuk mencipta komposit. 4) Sahkan hipotesis secara sistematik dengan menguji sifat mekanikal, fizikal, dan biologi. Aliran ini mencerminkan protokol pembangunan komposit yang mantap, seperti yang dilihat dalam karya mengenai kayu-PLA atau gentian karbon-PLA, tetapi dengan perubahan hala yang disengajakan ke arah bio-fungsian. Keputusan untuk menggunakan FFF, teknologi AM yang paling mudah diakses, adalah langkah bijak untuk potensi komersialisasi.

4.3 Kekuatan & Kelemahan

Kekuatan: USP bahan ini tidak dapat dinafikan: peningkatan kekakuan dan tindakan antimikrob serentak daripada satu pengisi yang murah. Proses ini boleh ditingkatkan skala dan serasi dengan infrastruktur pembuatan sedia ada. Penggunaan PLA sebagai matriks memastikan bahan asas kekal terbiodegradasi dan daripada sumber boleh diperbaharui, menarik minat pelabur dan pengguna yang fokus pada ESG.

Kelemahan: Pertukaran keliatan adalah batasan kejuruteraan yang sebenar. Peningkatan mikrolompang dan kekasaran permukaan yang dilaporkan mencadangkan ikatan antara muka yang tidak mencukupi dan potensi penggumpalan zarah—isu klasik dalam komposit zarah. Kajian ini, seperti yang dibentangkan, berkemungkinan kekurangan data kestabilan jangka panjang: adakah sebatian antimikrob larut resap? Adakah prestasi bahan merosot dengan kelembapan atau pendedahan UV? Tambahan pula, mekanisme antimikrob diisyaratkan tetapi tidak dijelaskan secara mendalam; adakah ia berasaskan sentuhan atau melalui larut resap? Kekaburan ini penting untuk kelulusan peraturan dalam peranti perubatan.

4.4 Wawasan Boleh Tindak

Untuk Pasukan R&D: Langkah seterusnya yang segera adalah kejuruteraan antara muka. Gunakan rawatan permukaan (silana, PLA terikat anhidrida maleik) pada zarah AHL untuk meningkatkan lekatan, mengurangkan pembentukan lompang, dan berpotensi mengurangkan kehilangan keliatan. Terokai sistem pengisi hibrid—menggabungkan AHL dengan sejumlah kecil nano-selulosa atau elastomer—untuk mencipta profil sifat yang lebih seimbang.

Untuk Pengurus Produk: Sasarkan aplikasi di mana kekakuan dan kawalan jangkitan adalah utama, dan kemasan permukaan adalah sekunder. Fikirkan: pendakap ortopedik tersuai, pemegang alat hospital, pelapik prostetik, atau komponen peralatan pemprosesan makanan. Elakkan aplikasi yang memerlukan rintangan hentaman tinggi atau kejelasan optik.

Untuk Pelabur: Ini adalah teknologi platform. Konsep teras—menggunakan sisa pertanian fungsian dalam polimer—boleh diperluaskan. Pusingan pembiayaan seterusnya harus fokus pada pengeluaran skala perintis, ujian mekanikal/biologi standard ISO, dan memulakan dialog peraturan FDA/CE untuk peranti perubatan Kelas I.

5. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Pembangunan

Aplikasi potensi untuk filamen PLA-AHL adalah signifikan, terutamanya dalam sektor yang menuntut kebersihan dan kemampanan:

• Peranti Biomedikal: Mencetak panduan pembedahan tersuai khusus pesakit, prostetik bukan boleh implan, atau komponen peralatan hospital yang menentang penjajahan mikrob.
• Pembungkusan & Pengendalian Makanan: Mencipta bekas, peralatan makan, atau pemegang tersuai untuk mesin pemprosesan makanan yang terbiodegradasi dan antimikrob.
• Barangan Pengguna: Mainan, perkakas dapur, atau pemegang barangan penjagaan diri di mana sifat antimikrob menambah nilai.
• Hala Tuju Penyelidikan Masa Depan:
  1. Optimumkan rawatan permukaan zarah untuk meningkatkan ikatan antara muka dan memperbaiki keliatan.
  2. Siasat kestabilan jangka panjang dan profil larut resap sebatian antimikrob.
  3. Teroka sinergi AHL dengan pengisi fungsian lain (contohnya, hablur nano selulosa untuk kekuatan, zarah kuprum untuk kesan biosidal yang dipertingkatkan).
  4. Bangunkan strategi pencetakan 3D pelbagai bahan di mana hanya lapisan permukaan mengandungi komposit AHL untuk kecekapan kos dan prestasi.
  5. Jalankan penilaian kitaran hidup penuh (LCA) untuk mengukur manfaat alam sekitar berbanding plastik antimikrob tradisional.

6. Rujukan

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. [Contoh Sumber Luar]
7. ASTM International. (2022). ASTM D638-22: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.