使用响应面方法对PLA/PBAT进行设计、建模与优化：针对3D打印应用的流变学特性及全面性能分析

《Materials Today Communications》：Design, Modeling, and Optimization of PLA/PBAT Using Response Surface Method: Rheology and Comprehensive Characterization for 3D Printing Applications

本研究采用响应面法-Box Behnken设计优化PLA/PBAT共混物，发现加入Joncryl可使断裂伸长率提升2314%，并显著改善加工性能，而Lotader效果有限。3D打印样品的力学性能优于传统压制，纵向打印方向表现最佳。

　　科学家们对聚乳酸（PLA）与聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）的共混体系进行了深入研究，以优化其用于3D打印的性能。研究采用响应面方法（RSM）结合Box–Behnken设计（BBD），构建了一个模型，用于分析材料配比和加工参数对性能的影响。研究发现，通过引入适配剂Joncryl，PLA–PBAT体系的机械性能显著提升，表现出更优异的拉伸强度、断裂伸长率和韧性。此外，Joncryl有效改善了PBAT的分散状态，减少了其颗粒尺寸和分布范围，这有助于提升材料的界面相互作用和整体性能。在研究中，通过对比不同配比下的样品，发现使用Joncryl的PLA–PBAT–Joncryl体系相比不添加适配剂的PLA–PBAT体系，其断裂伸长率提高了2314%，韧性提高了2418%。而使用Lotader的样品虽然在某些方面表现出一定的性能改善，如韧性提升，但PBAT颗粒尺寸增大，影响了其整体性能。

为了更好地理解材料性能，研究者通过扫描电子显微镜（SEM）分析了样品的微观结构。结果显示，Joncryl的加入使PBAT颗粒的尺寸和分布范围分别减少了42%和65%，而Lotader的样品则表现出颗粒尺寸和分布范围的增加，这表明Joncryl在改善界面相互作用和材料均匀性方面更有效。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，进一步验证了Joncryl环氧基团的完全反应，这有助于形成更牢固的界面结合，提升材料的性能。此外，通过研究熔体流变特性，发现PLA–PBAT–Joncryl体系表现出更高的零剪切粘度和存储模量，这表明其分子链的缠结程度和相容性得到了显著提升。这些改进使得材料在低频下表现出更强的弹性，从而在3D打印过程中提高了打印质量和性能。

在研究过程中，作者还分析了不同加工参数对材料性能的影响，包括PBAT含量、Joncryl含量和停留时间（R-time）。通过方差分析（ANOVA）发现，PBAT含量是影响拉伸强度、断裂伸长率和韧性的主要因素，而Joncryl和停留时间的影响相对较小。优化后的参数为PBAT含量15%、Joncryl含量1.5 phr和停留时间5分钟，使得材料在3D打印后表现出最佳的性能。同时，研究者还探讨了3D打印与热压处理对材料性能的影响，发现3D打印样品的拉伸强度显著优于热压处理样品，这可能是由于3D打印过程中形成的微通道结构限制了裂纹的传播路径。

研究还通过Han图分析了材料的流变行为，发现PLA–PBAT–Joncryl体系表现出更接近理想值的斜率，表明其相容性得到了显著提升。同时，研究者还探讨了不同适配剂对材料性能的影响，发现Joncryl在改善界面相互作用和材料性能方面优于Lotader。此外，研究者还发现，PLA–PBAT–Joncryl体系的结晶温度和结晶焓均有所提高，表明其结晶质量得到了改善。虽然结晶度因链段运动受限而有所降低，但PBAT的成核作用有助于形成更高质量的晶体结构，这进一步支持了其优异的机械性能。

研究结果表明，优化后的PLA–PBAT–Joncryl体系在3D打印过程中表现出更优异的性能，其拉伸强度达到102 MPa，这比不添加适配剂的PLA–PBAT体系更高。同时，研究者还发现，纵向3D打印样品的拉伸强度优于横向打印样品，这可能是由于纵向打印增强了材料在打印方向上的对齐程度，从而提升了其机械性能。此外，研究者还探讨了3D打印过程中形成的残余应力对材料性能的影响，发现较小的喷嘴和较长的打印头可以提供更多的应力松弛时间，从而减少材料的开裂倾向。

总的来说，这项研究展示了通过优化材料配比和加工参数，可以显著提升PLA–PBAT体系的机械、热学和流变性能。研究还强调了适配剂在改善界面相互作用和材料性能中的重要作用。此外，研究者还探讨了不同适配剂对材料性能的影响，发现Joncryl在改善材料性能方面优于Lotader。研究结果表明，通过引入适配剂，可以有效提升PLA–PBAT体系的性能，使其更适用于3D打印等应用。