从工艺到性能：亚麻/聚丙烯生物复合材料的熔融颗粒制备

《Polymer Testing》：From process to performance: Fused Granular Fabrication of Flax/PP biocomposites

本研究系统探究了FGF打印参数（层高、喷嘴温度、打印方向）对亚麻/聚丙烯生物复合材料的机械性能和微观结构的影响。结果表明，层高0.6mm、喷嘴温度210°C、±45°打印方向可达到最佳性能平衡。这些发现为可持续工程应用中的天然纤维复合材料制造提供了指导。

　　本研究探讨了融合颗粒制造（Fused Granular Fabrication, FGF）工艺参数对天然纤维增强聚丙烯（Flax/PP）生物复合材料的机械性能和微观结构的影响。通过系统调整层高、喷嘴温度和打印方向，并采用拉伸测试、数字图像相关（DIC）、扫描电子显微镜（SEM）和差示扫描量热法（DSC）等方法进行分析，研究揭示了FGF工艺在生物复合材料制造中的关键作用，以及如何通过优化工艺参数实现性能提升。

FGF技术作为3D打印的一种新型方法，与传统的挤出成型工艺不同，它直接将热塑性颗粒材料进行挤出，从而具备更强的材料适应性和可持续性优势。这种工艺特别适用于天然纤维增强复合材料的制造，如Flax/PP，因为它可以利用回收的工业材料，同时避免了传统方法中对复杂模具的依赖。FGF不仅能够实现低成本、高效率的生产，还能够通过精确控制沉积路径来调控纤维取向和界面结合，从而优化材料的宏观性能。

天然纤维增强聚合物复合材料（Natural Fiber-Reinforced Polymer Composites, NFRPCs）因其可再生性、低密度、生物降解性和良好的比强度而受到越来越多的关注。与传统的碳纤维或玻璃纤维相比，天然纤维如亚麻、大麻和剑麻等对环境和经济负担较小，因此成为绿色复合材料的重要候选材料。Flax/PP作为一种典型的NFRPC系统，不仅具备良好的机械性能，还具有部分生物降解性和可加工性，使其在可持续制造领域具有广阔的应用前景。

然而，目前关于Flax/PP复合材料3D打印的研究仍较为有限，缺乏对关键工艺参数（如层高、喷嘴温度和打印方向）系统性的影响分析和机制理解。因此，本研究旨在填补这一空白，通过实验方法探索这些参数对Flax/PP复合材料性能的影响，并结合红外热成像、机械测试和SEM分析，揭示打印条件与材料性能之间的内在关系。研究结果不仅为3D打印工艺的优化提供了理论依据，也为这些材料在可持续制造中的更广泛应用提供了实践指导。

在实验过程中，研究者采用了一种基于粒料的FGF 3D打印设备，通过调整打印参数，制造出不同层高、喷嘴温度和打印方向的狗骨形拉伸试样。为了确保打印过程的稳定性，研究者在每个阶段都对中间产品进行了干燥处理，以去除水分。此外，为了优化打印质量，研究者通过调整切片软件中的“丝径”参数，将实际进料速率控制在额定值的50%至90%之间，以防止过度供料导致的打印缺陷。

通过拉伸测试和DIC技术，研究者发现层高对材料的机械性能具有显著影响。在固定喷嘴温度为210°C、打印方向为±45°的情况下，随着层高的增加，拉伸强度和杨氏模量逐渐下降。其中，0.2 mm层高的试样表现出最高的强度和模量，但由于打印效率低和工艺稳定性差，其实际应用价值有限。相比之下，0.6 mm层高的试样在机械性能和打印效率之间取得了最佳平衡，其性能与0.4 mm层高的试样相比没有显著差异，同时具有更高的工艺稳定性。因此，0.6 mm被确定为最优的层高参数。

喷嘴温度对材料的性能也具有重要影响。研究发现，当喷嘴温度处于170°C至190°C时，由于熔融不足和界面结合差，导致材料内部出现较多的气孔和强度下降。随着温度的升高，喷嘴温度达到210°C时，PP熔体的流动性增强，纤维与基体之间的界面结合显著改善，从而实现了最佳的机械性能。然而，当温度超过210°C时，纤维发生氧化，导致界面结合力下降和PP结晶度降低，最终影响了材料的性能。因此，210°C被认为是最佳的打印温度。

打印方向对材料的机械性能也有显著影响。在±45°方向下，试样的应力分布更加均匀，界面结合力较强，从而表现出最高的拉伸强度和模量。相反，90°方向下的试样由于层间结合差，表现出较差的机械性能。这种差异可以归因于打印方向与拉伸方向之间的关系，以及纤维在材料中的分布和取向。在0°方向下，试样表现出较低的断裂应变和较大的性能波动，这可能与制造过程中纤维与基体之间的结合力不足以及局部应力集中有关。

通过SEM分析，研究者进一步观察了不同打印条件下试样的断裂形态和纤维分布情况。在较低温度下（如170°C），试样的断裂表面呈现出较明显的分层结构，表明层间结合力较差。随着温度的升高，特别是在210°C时，试样的断裂表面变得更加均匀，纤维与基体之间的结合力增强，显示出更好的延展性和韧性。然而，在220°C时，纤维表面出现裂纹和层内气孔，表明高温导致了纤维的氧化和基体结晶度的下降，从而降低了材料的整体性能。

此外，研究还发现，打印温度对PP的结晶度有显著影响。随着打印温度的升高，PP的结晶度逐渐降低，这可能是由于纤维的加入限制了PP链的流动性，从而影响了结晶过程。在210°C时，PP的结晶度下降幅度较小，而超过这一温度后，结晶度的下降速度加快，这与纤维的氧化和界面结合力的降低密切相关。因此，210°C被认为是最佳的打印温度，因为它在促进纤维与基体结合的同时，避免了高温对纤维和基体的破坏。

研究还通过DSC分析进一步验证了上述结论。DSC结果表明，PP在不同打印温度下的结晶度呈现出逐渐下降的趋势。在170°C时，PP的结晶度为57.4%，而在220°C时下降至50.8%。这一现象与纤维的加入和高温对PP链运动的抑制有关。同时，研究者还观察到，在较高的打印温度下，PP的熔融行为和结晶过程受到显著影响，从而影响了材料的最终性能。

总的来说，FGF技术为天然纤维增强复合材料的制造提供了一种具有竞争力的解决方案。通过合理选择层高、喷嘴温度和打印方向等关键参数，可以在保证打印效率和工艺稳定性的同时，实现优异的机械性能。本研究的结果表明，0.6 mm层高、210°C喷嘴温度和±45°打印方向是实现Flax/PP复合材料最佳性能的组合。这些发现不仅为FGF技术在可持续制造领域的应用提供了理论支持，也为未来进一步优化打印参数和探索材料性能与结构之间的关系奠定了基础。

此外，研究还指出，未来的实验应扩展到更复杂的多因素设计，以更全面地分析参数之间的相互作用。例如，层高与温度之间的相互影响（如结合力与氧化/粘度之间的权衡），以及温度与打印环境温度之间的关系（如冷却速率与气孔/结晶度之间的关联）。通过综合分析DSC、气孔和机械性能等数据，可以建立更完善的结构-性能关系模型，从而更准确地评估这些生物复合材料在实际应用中的长期性能和耐久性。

本研究的结果不仅为FGF技术在生物复合材料制造中的应用提供了重要的指导，也为实现可持续制造目标提供了新的思路。随着3D打印技术的不断发展，FGF有望成为一种高效的绿色制造方法，特别是在汽车和建筑行业，因其能够生产具有优异性能和环保特性的复合材料。未来的研究应进一步探索如何在不同应用背景下优化这些参数，以提高材料的综合性能和工艺适应性。