熔融沉积成型法制备PLA生物复合材料的性能优化及参数影响机制研究

本研究针对传统建筑材料环境负荷高的问题，通过熔融沉积成型(FDM)技术开发竹纤维增强聚乳酸(PLA)生物复合材料，系统评估了填充密度(25%-100%)、构建方向(0°-90°)和层厚(0.20-0.30mm)等参数对材料物理化学性能的影响。结果表明10%竹纤维填充使PLA-G-F的拉伸强度提升10%，弹性模量达1594MPa，其性能优于常规木塑复合材料(WPC)，为绿色建材开发提供了新思路。

　　

随着全球环保意识提升，开发可替代传统石油基材料的生物基复合材料成为研究热点。聚乳酸(PLA)因其生物可降解性和可再生特性备受关注，但纯PLA材料在力学性能和功能应用上存在局限。与此同时，增材制造技术尤其是熔融沉积成型(FDM)为定制化生物材料开发提供了新途径，但植物纤维填充导致的界面相容性、打印参数优化等问题尚未系统解决。

哥伦比亚军事新格拉纳达大学(Universidad Militar Nueva Granada)的Martha L. Sánchez团队在《Journal of Renewable Materials》发表研究，通过将竹(Guadua angustifolia)纤维粉末与PLA树脂复合，采用单螺杆挤出机制备直径1.75mm的PLA-G-F生物复合线材，系统研究了10%植物纤维填充对材料性能的影响。研究采用SEM-EDS、XRD、FTIR、DSC-TGA等技术表征材料特性，并通过三因素三水平实验设计(135个拉伸/压缩试样)分析打印参数的影响规律。

关键技术包括：单螺杆挤出制备复合线材；SEM-EDS分析形貌与元素组成；XRD计算结晶度指数(C.I)；DSC-TGA评估热稳定性；通过三因素(填充密度25%-100%、构建方向0°-90°、层厚0.20-0.30mm)全因子实验设计评估打印参数影响；依据ASTM标准进行力学性能测试。

3.1 形貌与元素组成

SEM显示PLA-G-F存在微孔和随机分布的纤维，EDS证实其C/O原子比提升14.5%，Ca元素含量0.27%印证植物纤维特性。

3.2 结晶度指数

XRD显示PLA-G-F的C.I提升13.5%至29%，FTIR侧序指数(LOI)增加5%，表明纤维填充促进晶体结构形成。

3.4 热稳定性

TGA显示PLA-G-F的起始降解温度(T_oi)降低3%，但总质量损失(△m)保持98.97%，DSC检测到72°C玻璃化转变和175°C熔融峰。

3.5 物理机械性能

PLA-G-F线材硬度(HV)提升20%达17.37，拉伸强度提高6.6%至65.61MPa，但应变率降低22%，体现脆性增加特征。

3.6 打印参数影响

100%填充密度使硬度提升40%，0°构建方向的试样拉伸强度达41.76MPa，比90°方向高37%；0.20mm层厚试样的弹性模量(1594MPa)较0.30mm提升30%。

3.8.5 与WPC性能对比

PLA-G-F复合材料密度(1225kg/m³)接近WPC标准，吸水率4.17%在1%-8%合理范围内，其拉伸强度(41.76MPa)比WPC典型值(25.4-32.3MPa)高29%，压缩强度达65.44MPa。

该研究创新性地证明：通过优化FDM工艺参数(100%填充密度、0.20mm层厚、0°构建方向)和10%竹纤维填充，可制备性能优于传统WPC的生物复合材料。材料结晶度提升和C/O比变化证实纤维-基体界面相互作用增强，而打印方向对力学性能的显著影响为构件性能导向设计提供依据。研究成果对开发适用于建筑包层、装饰构件等非结构应用的可持续材料具有重要实践价值，为循环经济背景下建材行业的绿色转型提供了技术参考。需要指出的是，材料在湿热环境下的长期性能、规模化生产成本等问题仍需后续研究解决。