综述：天然纤维长丝变革可持续3D打印的未来

这篇综述系统探讨了天然纤维增强长丝在增材制造（AM/3DM）领域的创新应用，重点解析了其通过造粒-挤出工艺（如双螺杆挤出）优化纤维-聚合物基体（PLA/PP）界面结合的关键技术，以及其在汽车、航空航天等领域降低碳足迹的潜力。文章特别强调了材料黏弹性（viscoelasticity）、形态学特征（morphological characteristics）与循环经济框架的协同作用，为可持续制造提供了新范式。

　　

天然纤维长丝：开启3D打印的绿色革命

背景
增材制造（3D打印）技术通过逐层堆叠材料的方式彻底改变了传统制造模式，但其对石油基聚合物的依赖引发了严峻的环境问题。天然纤维增强长丝技术应运而生，将植物纤维（如亚麻、大麻、竹纤维）与可生物降解聚合物（如PLA）结合，形成兼具机械性能和生态友好特性的复合材料。

天然纤维增强长丝
天然纤维源自植物（亚麻、大麻）或动物（羊毛），具有低密度（1.3-1.5 g/cm³
）、高比强度（如亚麻纤维拉伸强度613 MPa）和可降解性。通过碱处理、硅烷偶联等表面改性技术，可显著提升纤维与聚合物基体的界面结合力。

造粒工艺：从松散纤维到标准化原料
松散纤维经洗涤、干燥后切割为1-3 mm短纤维，与PLA混合后通过双螺杆挤出机造粒。这一过程不仅改善纤维分散性，还通过降低含水量（<5%）提升材料稳定性。造粒后的颗粒直径控制在2-5 mm，为后续长丝挤出提供均质原料。

长丝制造关键技术

• 双螺杆挤出：实现纤维与聚合物的高效混合，温度控制（170-200°C）避免纤维热降解
• 熔融纺丝：通过喷丝头形成连续长丝，冷结晶温度（T_c
  ≈120°C）影响最终结晶度
• 热熔挤出（HME）：优化参数使长丝直径误差控制在±0.05 mm

材料性能突破
天然纤维复合长丝展现独特优势：

• 力学性能：亚麻/PLA复合材料拉伸强度达70 MPa，模量7.2 GPa
• 热性能：DSC分析显示冷结晶峰（150°C）与熔融峰（170°C）的协同效应
• 微观结构：SEM证实纤维-基体界面无空隙（图11），断裂韧性提升40%

工业应用案例

• 福特汽车：大麻纤维增强仪表板减重25%，年减排CO₂
  300吨
• 波音公司：剑麻纤维舱内部件通过FAR 25.853防火标准
• 医疗定制：竹纤维/PLA骨科支具实现患者特异性匹配

挑战与展望
当前瓶颈包括湿度敏感性（吸水率>8%）和回收率不足（<30%）。未来方向聚焦智能材料集成（如温敏形状记忆聚合物）和闭环生产系统。通过跨学科协作，天然纤维长丝有望在5-10年内替代20%传统3D打印材料。

结语
从实验室创新到工业规模化，天然纤维长丝正重塑3D打印的可持续发展路径。其技术-经济-环境的三重效益，将为《巴黎协定》减排目标提供实质性支撑。