基于颗粒与丝材挤出的TPS/PBS共混物性能对比研究：生物基3D打印材料的降解机制与结构优化

推荐：本研究针对生物基3D打印材料性能优化难题，通过对比热塑性淀粉/聚丁二酸丁二醇酯（TPS/PBS）共混物在颗粒基材料挤出（GME）与熔融沉积成型（FFF）中的表现，发现FFF工艺虽因丝材生产导致链断裂（MFI提升16.87 g/10min）而降低力学性能（拉伸强度28.24 MPa），但其打印稳定性更优（孔隙率0.0145%）。该研究为生物可降解材料的精密制造提供了新思路。

　　

随着环保意识增强，生物可降解材料在3D打印领域的应用备受关注。然而，热塑性淀粉（TPS）机械强度低、聚乳酸（PLA）水解速率慢等问题限制了其应用。为此，研究人员将目光转向TPS与聚丁二酸丁二醇酯（PBS）共混体系，但现有研究多聚焦于薄膜制备，对3D打印工艺的适应性研究仍存空白。更关键的是，当前市场缺乏针对生物基材料的专用打印丝材，而颗粒直接挤出（GME）技术虽成本更低，却面临打印稳定性差的挑战。

针对这一难题，国内某研究机构团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，系统比较了TPS/PBS（20:80）共混物通过FFF与GME两种工艺的性能差异。研究人员采用双螺杆挤出造粒后，分别通过精密丝材制造机制备1.75 mm直径丝材（FFF组）和直接颗粒打印（GME组），运用密度测试、熔体流动指数（MFI）分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）、动态机械分析（DMA）等技术，结合工业CT和扫描电镜（SEM）揭示了材料微观结构演变规律。

密度与MFI揭示加工特性
FFF试样密度（1.25 g/cm³）略高于GME组（1.24 g/cm³），且标准偏差更小，表明丝材打印具有更稳定的熔体流动。但丝材生产导致MFI值升高（16.87 vs 13.44 g/10min），暗示分子量降低。

热行为与流变学特征
DSC显示FFF材料的冷结晶温度（T_cc 84.3°C）和熔融温度（T_m 112.6°C）均低于GME组，流变测试进一步证实其复数粘度（2573.98 Pa·s）仅为GME材料的41%。DMA数据表明，FFF试样玻璃化转变温度（T_g -4.2°C）和储能模量显著降低，这些均指向丝材挤出过程中的热机械降解。

打印精度与力学性能平衡
尽管GME试样展现出更高的拉伸强度（30.36 MPa）和杨氏模量（478.88 MPa），但CT扫描显示其内部缺陷率达0.138%，远超FFF组（0.0145%）。SEM图像更直观显示FFF试样层间结构规整，而GME组存在明显孔隙和层间间隙，这解释了前者更稳定的力学性能标准差（0.52 vs 0.83 MPa）。

该研究创新性地揭示了生物基材料在丝材生产阶段的链断裂机制对最终制品性能的影响规律，为平衡打印精度与材料性能提供了理论依据。特别值得注意的是，虽然GME工艺能保留更高分子量，但当前技术条件下，FFF凭借更优的层间结合质量（tanδ峰宽更窄）更适合医疗支架等精密器械制造。研究人员建议未来通过优化GME系统的喂料机构（如PTFE绝缘）和喷嘴设计来提升其竞争力，这一发现对推动绿色制造技术产业化具有重要指导价值。