可持续的增材制造：通过熔融颗粒成形技术制备的回收亚麻纤维/聚丙烯复合材料微观结构演变及其机械性能研究

《Industrial Crops and Products》：Sustainable additive manufacturing: Microstructural evolution and mechanical viability of recycled Flax/PP via fused granular fabrication

本研究通过熔融颗粒成型（FGF）3D打印技术，系统研究了六次回收再利用后亚麻纤维增强聚丙烯（Flax/PP）复合材料的微观结构演变、热降解行为及力学性能变化。结果表明，回收次数超过两次后材料呈现不可逆性能退化，拉伸强度从R0的13MPa降至R5的7MPa，延展性从9%降至3%，断裂模式由韧性转变为脆性。微观分析显示孔隙率从12.5%增至32.6%，最大孔隙尺寸超过400μm，纤维-基体界面结合强度显著下降。热分析表明PP结晶度随回收次数增加而降低，热稳定性退化，而亚麻纤维氧化分解提前发生。研究揭示了循环回收过程中材料性能劣化的机理，为可持续制造提供了理论依据。

　　本研究探讨了通过熔融颗粒制造（FGF）工艺处理的亚麻纤维增强聚丙烯（Flax/PP）复合材料的可回收性。重点分析了材料在多次回收过程中的微观结构演变、热降解行为以及机械性能变化。研究发现，随着回收次数的增加，材料的机械性能逐渐下降，且这种下降是不可逆的。在六次连续回收循环中，拉伸强度从初始的约13 MPa降至最终的约7 MPa，断裂伸长率从约9%降至约3%，同时材料的断裂方式也从延展性断裂转变为脆性断裂。这一变化表明，回收过程对材料的微观结构产生了显著影响，使得其在承受载荷时更容易发生层间剥离和脆性断裂。

为了全面评估材料的性能变化，研究团队在每个回收循环中进行了机械测试、扫描电子显微镜（SEM）观察以及红外热成像分析。同时，还选择了特定的回收阶段（R0、R2和R5）进行热分析（DSC和TGA）。SEM图像显示，随着回收次数的增加，纤维拔出、界面脱粘以及孔隙率显著上升。在第六次回收后，孔隙率高达约32.6%，并且最大孔径超过400 μm。这些微观结构的变化直接影响了材料的力学性能，使得其在回收后变得脆弱且难以打印。热分析结果进一步证实了亚麻纤维和聚丙烯基体的热降解现象，包括结晶度降低和热稳定性下降。第六次回收时，材料由于严重的层间分层和喷嘴堵塞，完全失去了打印能力。

本研究还对比了传统塑料在多次回收后的性能表现。例如，纯聚丙烯（PP）在多次回收后，其性能可能保持稳定甚至有所提升，这表明PP在热塑性回收方面具有一定的优势。然而，与PP相比，含有天然纤维的复合材料在回收过程中更容易出现性能下降，这主要归因于纤维与基体之间的界面老化以及纤维本身的降解。亚麻纤维由于其亲水性，与聚丙烯的疏水性基体之间存在一定的不匹配，这种不匹配在多次回收过程中会加剧，导致纤维与基体之间的结合力减弱，进而影响材料的整体性能。

此外，研究团队通过红外热成像技术对打印过程中的热历史进行了监测，发现随着打印层数的增加，每层的表面温度逐渐下降。这表明在打印过程中，材料在喷嘴出口后迅速冷却，导致热降解的可能降低。然而，尽管如此，随着回收次数的增加，材料的热稳定性仍然受到影响，尤其是在多次热循环后，纤维和基体的热分解行为变得更加独立，这可能与界面结合力的减弱有关。

从机械测试的结果来看，回收后的材料在拉伸性能上呈现出明显的下降趋势。特别是在第三轮回收后，材料的拉伸强度和断裂伸长率急剧下降，这表明材料在经历多次回收后已经变得非常脆弱。同时，数字图像相关（DIC）分析揭示了材料在不同回收阶段下的应变分布特征。应变集中在材料的边缘区域，形成类似打印轨迹的裂纹路径。这些裂纹通常沿着层间或丝束之间的界面扩展，导致材料最终断裂。这表明回收过程不仅影响了材料的微观结构，还改变了其在宏观尺度上的行为。

研究还指出，回收过程中的热降解和机械性能下降可能是由于聚丙烯分子链的断裂以及亚麻纤维的氧化损伤所致。多次热循环导致聚丙烯的熔体粘度降低，从而影响了层间融合的稳定性。同时，亚麻纤维的结构在多次高温处理后变得不完整，导致其与基体之间的结合力减弱，进一步加剧了材料的脆性。此外，回收过程中产生的孔隙和缺陷使得材料的密度降低，从而影响了其整体强度和刚度。

本研究的结果为提高天然纤维复合材料的可回收性提供了重要的理论依据。尽管Flax/PP材料在多次回收后表现出明显的性能下降，但通过引入一定比例的原始PP、优化加工参数以及使用生物基偶联剂等策略，可能有助于缓解热降解和界面老化带来的负面影响。这些方法可以改善材料的熔体流动性，增强纤维与基体之间的结合力，从而提高其在多次回收后的机械性能和加工能力。

此外，研究还发现，与传统的聚乳酸（PLA）或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等材料相比，Flax/PP复合材料在回收过程中表现出更高的孔隙率和更大的孔径。这可能与材料配方中未使用偶联剂有关，虽然这有助于环保，但也可能加速纤维的聚集并削弱其与基体的结合。因此，未来的研究可能需要探索使用生物基偶联剂或混合增强策略，以在保持环保性的同时提高材料的可回收性。

研究团队还提出了进一步的研究方向，包括验证在回收过程中添加原始PP材料是否能够恢复熔体流动性，以及是否可以通过降低加工温度和缩短加工时间来减少热降解。这些策略可能有助于延长Flax/PP复合材料的使用寿命，并提高其在多次回收后的性能表现。此外，探索新的偶联剂或加工工艺，以改善纤维与基体之间的界面结合，也是未来研究的重要方向。

综上所述，本研究揭示了Flax/PP复合材料在多次回收过程中的性能退化机制，包括机械性能下降、微观结构恶化以及热稳定性降低。这些发现不仅为提高天然纤维复合材料的可回收性提供了理论支持，也为推动可持续制造技术的发展提供了新的思路。通过材料改性、智能回收工艺以及结构优化，有望克服Flax/PP材料在可回收性方面的限制，延长其使用寿命，并拓展其在航空航天、汽车制造和建筑等领域中的应用潜力。