3D打印機尾氣凈化技術及裝置開發

鄭軒宇 何梓萱 王 晟 李宇航

（南京工程學院 機械工程學院，南京 211167）

3D打印技術是一種不同于減材制造的成型技術，被廣泛應用于工業、醫療、航空航天和建筑等領域[1]。以塑料或樹脂為打印線材的3D打印機[2]，在工作時會產生大量有毒尾氣。尾氣的主要成分為揮發性有機化合物，包括醛類、烷烴、芳烴或酮類等物質，難以處理且危害極大[3]。吳媛總結了治理揮發性有機化合物的4種方法，即冷凝法、光催化技術、吸附法和生物處理法[4]。謝凡等人提出了紫外線降解、HEPA過濾的3D打印機尾氣處理方式[5]。BRENT等人測量了桌面級3D打印機的超微顆粒排放濃度[6]。REID評估了3D打印對環境的影響[7]。TIM等人分析了3D打印對空氣質量的影響[8]。本文研究的熱活化氧化物半導體凈化技術及凈化裝置可有效凈化3D打印機在工作過程中產生的尾氣。

1 凈化技術及原理

1.1 熱活化氧化物半導體凈化技術

針對3D打印機在工作進程中產生的尾氣對環境及人體產生危害的問題，提出了將氧化物半導體涂層負載在以堇青石為材質的蜂窩載體表面，在高溫環境下（350～500 ℃）熱激發的氧化物半導體涂層具有氧化分解效應，可有效分解有毒煙霧，實現尾氣凈化效果。

1.2 技術原理

粉末狀的氧化物半導體（TiO2、Cr2O3等）具有熱活性，在熱激發條件下（350～500 ℃）會失去電子產生大量空穴。空穴會捕捉揮發性有機化合物分子鏈中共價鍵的電子，致使揮發性有機化合物分子鏈失去電子而變得不穩定，使分子鏈斷裂形成低分子量單體，其進一步與O2發生燃燒反應，最終產生CO2和H2O，如圖1所示。

圖1 技術原理

2 裝置結構

2.1 整體結構

設計3D打印機有毒尾氣處理裝置需能夠收集、加熱、凈化、檢測和排放有毒氣體。本裝置由4個單元組成，分別為打印機工作單元、預熱單元、凈化單元和氣體排放單元[9-10]。整體裝置如圖2所示。

2.2 打印機工作單元

打印機工作單元由鋁型材與亞克力板構成密閉的工作區域，用于放置3D打印機。鋁型材和亞克力板之間采用有機硅密封膠進行密封處理，右側亞克力板開有圓形通道，與凈化單元相連接，用于氣體的流入，如圖3所示。

圖3 打印機工作單元

2.3 預熱單元

預熱單元一端與打印機工作單元相連接，另一端與凈化單元連接，通過內置的電熱管和外圈陶瓷加熱管預熱有毒煙霧，使氣體進入凈化反應裝置時溫度初步達到反應溫度，提高反應凈化的效率，如圖4所示。

圖4 預熱單元

2.4 凈化單元

凈化單元由覆載了氧化物半導體的蜂窩載體（如圖5所示）和三層保溫倉構成，如圖6所示。蜂窩載體分三層放置，氣體通道呈“S”形，以實現多層級分梯度凈化，有效提高凈化效率。凈化單元采用熱輻射板加熱，凈化過程中反應倉溫度需長時間保持在350～500 ℃，要有良好的保溫效能。保溫倉采用了三層設計，最內層采用304不銹鋼。304不銹鋼易于加工且韌性極佳，常用于保溫，同時耐高溫800 ℃，滿足裝置設計要求。中間層采用二氧化硅納米氣凝膠氈。納米氣凝膠氈是固體中導熱系數極低的物質，無機環保且易于加工，耐高溫650 ℃，且0.018 W·m-1·K-1的導熱系數遠低于一般的保溫材料，滿足裝置設計要求。最外層采用高強度的硬鋁合金，能有效保護內部反應空腔。

圖5 覆載了氧化物半導體的蜂窩載體

圖6 凈化單元

2.5 氣體排放單元

氣體排放單元由抽氣泵與CO2處理管道組成，如圖7所示。真空泵一端與凈化單元連接，另一端與CO2處理管道連接，可將有毒煙霧通過負壓吸入凈化單元，并將反應后的氣體輸送至CO2處理管道。CO2處理管道可吸收凈化后氣體中的CO2，并將無害氣體排放至大氣。

圖7 氣體排放單元

2.6 實物模型

根據三維機構設計，制造了覆載有氧化物半導體的蜂窩載體，并搭建了3D打印機有毒尾氣凈化裝置的實物模型。覆載有氧化物半導體的蜂窩載體如圖8所示，實物如圖9所示。

圖9 實物模型

3 裝置測試

3.1 測試條件

采用3D打印機有毒尾氣凈化裝置、比例-積分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）光離子探頭（0～2 000 mg·L-1）、極光爾沃A3S桌面級3D打印機和PLA線材。

測試時，開啟電源，使預熱單元和加熱板工作，啟動3D打印機，線材選用PLA材料，打印樣件，使3D打印機產生氣體。當揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds，VOC）傳感器返回2 000 mg·L-1時，抽氣單元工作，使有毒氣體經過預熱單元預熱，再經過凈化單元凈化。此時關閉3D打印機，收集VOC傳感器在1 min、2 min、4 min、6 min、8 min以及10 min時的返回值。

3.2 測試結果

分別收集VOC傳感器在1 min、2 min、4 min、6 min、8 min以及10 min時的返回值，結果如表1和圖10所示。

表1 檢測結果數據表

圖10 VOC傳感器返回值曲線圖

計算VOC氣體的實際分解率為

計算結果表明，VOC氣體的實際分解率超98%，裝置可有效凈化以塑料或樹脂為材料的3D打印機工作時產生的有毒尾氣。

4 結語

本文提出了一種熱活化氧化物半導體凈化技術，設計并制造了基于該技術的3D打印機有毒尾氣凈化裝置，可高效凈化以塑料或樹脂為線材的3D打印機產生的有毒尾氣。在不改變加熱方式與功耗的情況下，采用多層次分梯度設計和“S”形加熱法，提高了熱量的利用率，增強了凈化效果，有效減少了理論層面的能量耗散。