数字光处理3D打印技术中微纳米纤维素的创新应用：推动高性能生物复合材料发展

本研究针对传统光固化树脂环境不友好的问题，创新性地采用辛烯基琥珀酸酐（OSA）改性微晶纤维素（Avicel-PH）和纤维素纳米晶（CNC-PH）作为DLP 3D打印树脂的增强填料。通过系统比较两种纤维素材料的性能差异，发现10-15 wt% CNC-PH可使拉伸模量提升336%，同时热分析显示复合材料热稳定性显著提高。该研究为开发高性能、可持续的增材制造材料提供了新思路。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，传统石油基光固化树脂的环境问题日益凸显。与此同时，作为地球上最丰富的生物聚合物，纤维素因其可再生、可降解的特性备受关注。然而，如何将纤维素材料有效整合到高精度数字光处理（DLP）3D打印技术中，开发出兼具优异机械性能和环保特性的复合材料，仍是科研人员面临的重大挑战。

针对这一科学问题，阿尔托大学（Aalto University）的研究团队开展了一项创新性研究。研究人员首次系统比较了两种经辛烯基琥珀酸酐（OSA）疏水化改性的纤维素材料——微晶纤维素（Avicel-PH）和纤维素纳米晶（CNC-PH）在DLP树脂中的增强效果。相关研究成果发表在《International Journal of Biological Macromolecules》上，为可持续增材制造材料的发展提供了重要参考。

研究团队采用溶剂法进行OSA表面改性，通过动态光散射（DLS）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料特性。利用数字光处理技术打印复合材料试样，系统测试其力学性能和热稳定性，并结合扫描电镜（SEM）观察微观形貌。此外，还采用Halpin-Tsai和Mori-Tanaka模型对力学性能进行理论预测。

在"表面改性"部分，研究证实OSA改性显著提高了纤维素材料的疏水性，其中CNC-PH的接触角提升更为明显。XPS分析显示CNC-PH的碳含量从40.6%增至53.06%，证实了更高效的表面酯化反应。

"复合材料表征"结果显示：CNC-PH在10-15 wt%添加量时，拉伸模量达到2.49 GPa，较纯树脂提升336%；Avicel-PH在相同条件下提升314%。热重分析表明CNC填充的复合材料残炭量达9.17%，显示出优异的热稳定性。

通过"微观结构与打印精度"分析发现，低填充量时两种纤维素均能良好分散，但高浓度时会出现团聚现象。尽管如此，所有复合材料都展现出良好的形状保真度，成功打印出复杂结构。

该研究证实，纳米级纤维素晶体（CNC）因其高比表面积和结晶度，在树脂增强方面显著优于微米级纤维素（Avicel）。表面疏水化改性虽然会略微降低热稳定性，但能显著改善填料与树脂的相容性。这些发现为设计高性能、可持续的DLP打印材料提供了重要指导，在生物医学植入物、轻量化工程构件等领域具有广阔应用前景。特别值得注意的是，这是首次系统比较两种疏水化纤维素在DLP树脂中的增强效果，填补了该领域的研究空白。