空间站环境下3D打印高性能聚合物（PEEK与PI）的环境与健康风险评估及减排策略研究

本文系统评估了空间站密闭环境中3EEK和PI材料3D打印过程中释放的颗粒物（包括纳米/微米级）及非甲烷碳氢化合物（NMHCs）的排放特征与健康风险。研究发现高温打印会显著增加苯、乙醛等致癌物释放，并提出加装循环过滤系统、材料纯化等针对性减排方案，为太空制造技术的安全应用提供关键数据支撑。

　　

Section snippets

3D printer and filaments

所有实验均采用商用桌面熔融沉积成型（FDM）3D打印机（FUNMAT HT，INTAMSYS，中国上海）完成。该设备主要由金属框架、带双防护门的打印舱、喷头、运动系统、数控模块、打印平台和线材存储舱组成。打印机体积为0.18 m³（55 cm × 50 cm × 65 cm）。本研究所用打印机非完全密封型，且未配备空气净化装置。

PNC and SERs

研究分析了3D打印过程中的颗粒物排放特征。图S1展示了选用特定打印参数时PEEK、PEEK+POSS、PI和PI+POSS线材打印过程中的颗粒物数量浓度（PNC）。图2显示了打印过程中释放颗粒物的粒径分布（15.1-661.2 nm）。颗粒物特定排放速率（SERs）见表1和图S2。显然，颗粒物排放与线材类型和打印参数密切相关，这与先前研究一致。

Conclusions

作为空间增材制造的候选材料，PEEK和PI在密闭环境中通过3D打印制备典型三维开孔结构物体时，会释放颗粒物和NMHCs。颗粒物最大数量浓度范围为2.0×10⁵至2.7×10⁶ #/cm³，SERs范围为1.4×10⁴至3.7×10⁵ #/min。研究观察到纳米级和微米级颗粒物，它们源自低挥发性气相降解产物的冷凝和聚集过程。

Environmental implication

本研究评估了空间增材制造候选聚合物3D打印的环境与健康影响，以避免未来应用中对宇航员的潜在风险。检测了模拟密闭舱环境中3D打印释放的颗粒物和NMHCs，揭示了其来源，并评估了颗粒物粒径、化学成分及NMHCs组成对人类健康的影响。提出了降低排放的实用建议。

Funding

本研究由国家自然科学基金（42130606, 42405104）、中国科协青年人才托举工程（2022QNRC001）、国家重点研发计划（2023YFB3709702）、广东省科技厅项目（2023A1111120020）、中国科学院青年创新促进会（2020169）及中国科学院前沿科学重点研究项目（ZDBS-LY-JSC042）资助。

CRediT authorship contribution statement

陈浩廖: 调研，数据整理

李宏: 评审编辑，概念设计

刘明远: 评审编辑，数据整理

陈春: 调研

张海杰: 调研

李俊玲: 原稿撰写

任艳琴: 调研

刘毅: 评审编辑，监督，资源协调，调研

毕方: 调研

彭超: 数据整理

范林: 监督，概念设计

杜新宇: 资源协调，调研，数据整理

Declaration of Competing Interest

作者声明无利益冲突。

Acknowledgments

作者感谢北京康旺环境科技有限公司刘春山先生（http://www.bjkwnt.com/）在烟雾舱搭建中的帮助与支持。

Conflict of Interest Statement

无声明。

Glossary of Acronyms

PEEK: 聚醚醚酮

PI: 聚酰亚胺

NMHCs: 非甲烷碳氢化合物

AM: 增材制造

NASA: 美国国家航空航天局

ABS: 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物

HDPE: 高密度聚乙烯

PEI/PC: 聚醚酰亚胺/聚碳酸酯

PLA: 聚乳酸

PC: 聚碳酸酯

PCL: 聚己内酯

PA: 脂肪族聚酰胺

FDM: 熔融沉积建模

POSS: 多面体低聚倍半硅氧烷

PNC: 颗粒物数量浓度

SERs: 特定排放速率

SMPS: 扫描电迁移率粒径谱仪