新型生物树脂涂层大麻纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料的3D打印制备与多性能表征研究

《Journal of Medicinal Chemistry》：Discovery of Potent and Selective Pyrrolo[2,3? d]pyrimidine Derivatives as Fourth-Generation EGFR Inhibitors Targeting Triple Mutations

本研究针对大麻纤维与聚乳酸（PLA）界面相容性差、力学性能不足的问题，开发了一种基于天然树脂（如牧豆树树脂）表面改性的大麻纤维增强PLA复合材料，并通过3D打印技术制备了具有优异机械性能、热稳定性和耐磨性的生物复合材料，为环保型结构材料的应用提供了新策略。

　　

随着环保意识的增强和可持续发展需求的提升，生物基复合材料在工程领域的应用日益受到关注。聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）作为一种可生物降解的热塑性聚合物，因其良好的打印性能和环境友好特性，成为3D打印尤其是熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技术的常用材料。然而，纯PLA存在力学强度有限、脆性较高以及抗冲击性能较差等问题，限制了其在结构件和高承载场景中的应用。天然纤维如大麻纤维（Hemp Fiber）具有来源广泛、可再生、轻质和高比强度等优点，是理想的增强材料。但大麻纤维与PLA基体之间的界面相容性较差，容易出现纤维团聚、界面脱粘等问题，导致复合材料力学性能未能充分发挥。

为解决上述问题，来自印度哥印拜陀KPR工程技术学院机械工程系的Devarajan Balaji、Balasubramanian Arulmurugan、Amuthakkannan Rajakannu和Lakshminarasimhan Rajeshkumar开展了一项创新研究。他们采用两种天然树脂——牧豆树树脂（Mesquite Tree Resin）和辣木树树脂（Drumstick Tree Resin）对大麻纤维进行表面包覆处理，通过优化涂层工艺和复合材料的制备参数，显著提升纤维与PLA之间的界面结合力，并进一步通过3D打印技术制备出高性能的PLA/大麻生物复合材料（PLA/Hemp Biocomposites）。该研究系统性评价了复合材料的机械性能、热行为、摩擦学特性及微观结构，相关成果可为生物基复合材料的开发与应用提供重要参考。该论文发表在《Journal of Medicinal Chemistry》上。

为开展本研究，作者主要运用了以下几项关键技术：

1. 1.
   纤维预处理与树脂涂层工艺：将大麻纤维与天然树脂按60:40比例混合，经高温处理（270°C）和球磨粉碎获得均匀颗粒；
2. 2.
   双螺杆挤出制备复合材料丝材：将表面改性后的大麻颗粒（7.5 wt.%）与PLA混合，通过多段温控挤出制成3D打印用丝材；
3. 3.
   FDM 3D打印成型：使用Creality Ender 3 V3 SE打印机，优化打印参数（如层厚0.12 mm、打印速度120 mm/s）制备标准测试试样；
4. 4.
   多性能测试与表征：包括力学性能测试（拉伸、压缩、剪切、冲击、硬度）、摩擦学测试（Pin-on-Disc Tribometer）、热分析（TGA/DSC）以及微观形貌与结构表征（XRD、FTIR、SEM）。

2. MATERIALS AND METHODS

研究人员首先对两种天然树脂（牧豆树树脂和辣木树树脂）与大麻纤维的粘结效果进行了筛选。视觉和初步实验表明，牧豆树树脂能更均匀地包覆纤维，因此被选为后续研究的表面改性剂。大麻纤维经切割、树脂浸渍、高温固化和球磨处理后，得到150 μm以下的均匀颗粒。通过双螺杆挤出机制备出PLA/大麻复合丝材（大麻含量7.5%），并优化了挤出温度（四段温度控制：165°C、168°C、174°C、174°C）和牵引速度（229 rpm）。使用FDM 3D打印机制备出各类标准测试样件，并系统开展了机械性能、摩擦学性能和热性能测试，所有测试均遵循相应ASTM标准。此外，还通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的晶体结构、化学组成和断裂形貌进行了分析。

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. XRD and FTIR

XRD分析显示，PLA/大麻复合材料在16°和22°处出现明显衍射峰，表明其具有较高的结晶性。通过Scherrer方程计算得出复合材料的晶粒尺寸为58.64 nm，大于纯PLA（15.21 nm），说明大麻颗粒起到了异相成核的作用，促进了PLA分子链的有序排列。FTIR光谱进一步证实了材料中存在O-H、C=O、C-O-C等特征官能团，表明牧豆树树脂的引入增强了两相界面相容性。

3.2. Mechanical Properties of PLA/Hemp biocomposites

力学测试结果表明，该复合材料平均拉伸强度为17.56 MPa，压缩强度高达176.69 MPa，显示出良好的承载能力。但冲击强度较低（平均3.43 J/cm2），说明材料韧性不足。剪切强度平均值为50 MPa，但数据波动较大。Shore D硬度平均为73.87，表现出较高的表面刚性和尺寸稳定性。SEM断口分析显示，树脂涂层改善了大麻纤维与PLA的界面结合，但仍存在局部微缺陷和层间脱粘现象。

3.3. Tribological Properties testing

摩擦学测试显示，随着载荷从10 N增加至30 N，材料高度磨损量从59 μm升至252 μm，摩擦力也从2.1 N增至14.5 N。表明该复合材料在轻载条件下具有较好的耐磨性，但在高载荷下磨损加剧。

3.4. Thermal property

TGA分析表明，复合材料在336°C–379°C之间发生显著质量损失（93.5%），降解峰值温度为360°C。材料在330°C以下表现出良好的热稳定性，适用于中高温应用环境。

3.5. Fracture surface morphology

SEM图像揭示了复合材料在不同载荷下的破坏机制：拉伸断口呈现纤维拔出、界面脱粘和各向异性裂纹；压缩试样出现微屈曲和层间扭曲；磨损表面以粘着磨损为主，未见明显磨粒磨损痕迹。总体来看，材料具有较好的打印质量和界面结合，但层间融合和能量吸收能力仍有待提高。

4. CONCLUSIONS

本研究成功开发了一种基于牧豆树树脂表面改性的大麻纤维增强PLA生物复合材料，并通过3D打印技术实现了其成型制备。该材料在机械强度、热稳定性和摩擦学性能方面表现出色，尤其适用于中低载荷的结构应用（如汽车引擎罩内盖、滑块、可重复包装容器和建筑支撑结构）。然而，其抗冲击性能和在高载荷下的耐磨性仍显不足，需通过进一步的材料改性和工艺优化加以提升。该研究为开发高性能、全生物基的3D打印复合材料提供了重要技术路径和理论依据，对推动绿色制造和可持续材料发展具有重要意义。