定制化亚麻/PLA混纺包缠纱的开发及其在长纤维生物复合材料增材制造中的应用

本研究针对植物纤维在增材制造中作为长纤维应用受限的问题，创新性地采用混纺(commingling)和包缠(wrap spinning)技术开发了四种亚麻/PLA复合纱线。通过X射线断层扫描和力学测试证实，该技术使纱线内部孔隙率降低3.3倍，弹性模量提升2.1倍，为生物基复合材料3D打印提供了新型纱线设计策略。

　　

在追求可持续发展的今天，生物基复合材料因其环保特性备受关注。植物纤维如亚麻(flax)具有优异的力学性能和低碳足迹，但在增材制造(Additive Manufacturing)领域，其应用多局限于短纤维增强，长纤维的潜力远未充分发挥。传统工艺中，纤维加捻(twisting)会导致两个关键问题：纤维与载荷轴偏离降低力学效率，以及树脂难以浸渍纱线核心形成孔隙。这些问题严重制约了生物复合材料在3D打印中的性能表现。

法国Tarbes Occitanie Pyrénées技术大学的Pierre Ouagne团队在《Materials Characterization》发表研究，通过创新纱线设计攻克了这一难题。研究人员采用混纺技术将亚麻与聚乳酸(Polylactic Acid, PLA)纤维混合，再通过包缠工艺用PLA长丝螺旋包裹，开发出四种不同组分的定制化纱线。研究运用X射线微断层扫描(X-ray μ-CT)、数字显微镜和电子显微镜(SEM)等表征手段，结合力学性能测试，系统评估了纱线结构对打印复合材料性能的影响。

混纺工艺优化

通过六道针梳机(gill drawing)处理，实现了亚麻与PLA纤维的均匀混合。图像分析显示，57/43比例的混纺纱线呈现出最优的纤维分散状态。尽管亚麻仍以技术纤维(technical fibres)形式存在，但PLA纤维成功填充了纤维束间隙，为后续熔融浸渍创造了条件。

纱线形态控制

包缠工艺在保持纤维平行排列的同时，将纱线直径控制在0.6mm左右，适配3D打印喷嘴尺寸。数字显微分析表明，FWPLA(纯亚麻核心)纱线直径变异最小，而高PLA包缠量的CO50/30/20纱线因PLA局部堆积导致直径波动较大。

打印参数优化

采用自主改装的熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)设备，优化出最佳打印参数：喷嘴温度197°C，热床温度75°C，打印速度200mm/min。研究发现，0.5mm的舱口距离(hatch distance)和0.45mm的层高(layer height)能使CO60/30/10样品获得7.8GPa的弹性模量。

孔隙率与力学性能

X射线断层扫描揭示了关键发现：混纺纱线使纱线内部孔隙率从FWPLA的9.75%降至CO50/30/20的2.87%。力学测试显示，CO50/30/20样品的实验模量达到理论值的93.34%，显著优于传统加捻纱线。SEM观察发现，高PLA含量的混纺纱线断裂面呈现更多纤维断裂而非脱粘，证实了良好的载荷传递效率。

这项研究的意义在于：首次将纺织工程的混纺和包缠技术创造性应用于3D打印长纤维生物复合材料制备。通过PLA在纱线内部和外部的双重分布设计，既保证了纤维取向又实现了充分浸渍。相比传统加捻纱线，模量提升2.1倍的突破性进展，为设计高性能、可持续的复杂结构生物复合材料开辟了新途径。未来通过统一PLA材料等级、优化打印头设计，有望进一步提升界面性能和力学强度，推动植物纤维在航空航天、汽车等高端领域的应用。