基于废弃硬质聚氨酯增强聚乳酸复合材料的可持续3D打印：力学与声学性能协同优化研究

本研究针对硬质聚氨酯(PU)废弃物难降解问题，创新性地将其与聚乳酸(PLA)复合制成3D打印线材。通过熔融沉积成型(FDM)技术制备的3 wt.% PU/PLA复合材料展现出最优力学性能（拉伸强度提升10.3%至32 N/mm2），而6 wt.%样品在1350 Hz频率下实现最高吸声系数(α=0.35)和30-55 dB声压级衰减，为废弃PU的高值化回收和多功能复合材料开发提供了新思路。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，如何实现难降解聚合物的高值化回收成为重大挑战。硬质聚氨酯(PU)因其复杂的化学结构和不可降解性，传统处理方式往往造成环境污染。与此同时，生物基聚乳酸(PLA)虽具有环保优势，但其力学性能和功能单一性限制了应用范围。在此背景下，印度VIT Chennai理工学院（国内惯例译名：韦洛尔理工学院金奈校区）的研究团队创新性地将废弃PU与PLA复合，通过单螺杆挤出和熔融沉积成型(FDM)技术开发出兼具优异力学和声学性能的3D打印材料，相关成果发表于《Results in Engineering》。

研究人员采用球磨法制备1-100微米的PU颗粒，通过内部混合器以不同比例(3-12 wt.%)与PLA复合，利用单螺杆挤出机制备1.75 mm直径的复合线材。关键实验技术包括：高分辨扫描电镜(HR-SEM)观察微观形貌，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学相互作用，热重分析(TGA)评估热稳定性，以及基于ASTM标准的力学测试和阻抗管法声学性能测试。通过COMSOL Multiphysics 6.3软件进行有限元模拟验证实验结果。

【高分辨率扫描电子显微镜】显示3 wt.% PU样品界面结合良好，而更高含量(9-12 wt.%)时出现颗粒团聚和微裂纹，这与力学性能变化趋势一致。【傅里叶变换红外光谱】证实PU的N=C=O(2270 cm^-1)和C=O(1650 cm^-1)特征峰出现，表明成功复合。【热重分析】表明12 wt.% PU复合材料的最大热分解温度延迟2.86%，残炭量增加，热稳定性提升。

【力学性能实验】表明3 wt.% PU样品表现最优：拉伸强度达32±0.5 N/mm²（较纯PLA提升10.3%），弯曲强度55±0.5 N/mm²（应变3.7%）。而6 wt.% PU样品在声学测试中表现突出，1350 Hz频率下吸声系数α=0.35，噪声降低系数(NRC)达0.1734。【COMSOL模拟】显示力学测试误差<6%，声学模拟验证了30-55 dB的声压级衰减效果。

该研究通过逆向特性分析获得材料的孔隙率(0.9)、流阻(185000 N/m⁴)等关键参数，为声学设计提供理论基础。相比已有研究（如环氧树脂/Tamarindus复合材料8.13 MPa拉伸强度），3 wt.% PU/PLA的32 MPa拉伸强度和55 MPa弯曲强度展现出显著优势；其0.35吸声系数虽低于某些特种材料（如环氧/WRPU/VMT的0.485），但实现了力学与声学的平衡优化。

这项工作的创新性在于首次通过FDM技术实现废弃PU与PLA的协同增效，3 wt.%配方适用于结构件，6 wt.%配方适合声学应用，为汽车、航空航天等领域的可持续材料开发提供了新范式。未来研究可进一步探索不同PU粒径分布、表面改性对界面性能的影响，以及大规模生产的经济性评估。该成果不仅为PU废弃物回收开辟了新途径，也为开发多功能环保复合材料提供了重要参考。