大麻纤维增强聚乳酸（PLA）复合长丝的开发及其在可持续3D打印中的应用与动态力学性能研究

本综述系统探讨了以天然大麻纤维增强聚乳酸（PLA）制备可生物降解复合长丝的最新研究进展。文章重点分析不同纤维含量（2.5%与5%）对材料力学性能（拉伸强度、杨氏模量）、微观结构及动态阻尼特性的影响，揭示其通过熔融沉积成型（FDM）技术制造轻量化、高阻尼性能结构的潜力，为可持续增材制造提供新材料解决方案。

　　

引言

随着环保意识的提升和性能要求的提高，可持续3D打印材料的开发日益受到重视。聚乳酸（PLA）作为一种源于玉米淀粉或甘蔗的可生物降解聚合物，已成为熔融沉积成型（FDM）技术中重要的材料选择。然而，纯PLA存在抗冲击性差、热稳定性有限和低韧性等缺点，限制了其在功能部件中的应用。为此，研究者致力于通过各种增强策略提升其性能，同时保持可生物降解性和加工性。天然纤维因其可再生、可生物降解、低密度和良好的机械性能而显示出巨大潜力。其中，大麻纤维（Cannabis sativa）因其优异的强度、刚度和天然丰富性，成为PLA的理想增强材料。

材料与方法

研究采用商业级PLA颗粒和工业大麻粉末作为主要原料。PLA颗粒在加工前经过80°C真空干燥4小时以去除水分。大麻纤维源自工业大麻植物，其纤维长度1–5 m，直径16–50微米，化学成分包含68–74.9%纤维素、15.2–22%半纤维素和3.8–10%木质素。大麻粉末经过研磨和筛分，最终粒径控制在75 μm，并通过自然晒干24小时去除残留水分。制备了三种长丝：纯PLA、PLA+2.5%大麻和PLA+5%大麻。长丝通过单螺杆挤出机制备，挤出温度170–185°C，螺杆转速20 rpm，模具直径1.75±0.05 mm。3D打印使用FDM打印机，喷嘴尺寸0.4 mm，针对不同大麻含量的长丝优化打印参数，包括喷嘴温度、打印速度和层高等。

力学性能表征

拉伸测试按照ASTM D638标准进行。结果显示，PLA+2.5%大麻的拉伸强度最高，最大载荷237.00 N，较纯PLA（169.50±3 N）提高28.5%。PLA+5%大麻的强度略低，为221.30±5 N。杨氏模量随大麻含量增加而提升：纯PLA为3.2 GPa，PLA+2.5%大麻为3.76 GPa（提高17.5%），PLA+5%大麻为4.09 GPa（进一步提高8.7%）。断裂伸长率变化不大，纯PLA为5.2 mm，PLA+2.5%大麻为5.65 mm，PLA+5%大麻为5.7 mm。这些变化与增强的阻尼特性相关，结构不连续性创造了能量耗散机制，提升了振动吸收性能。

微观结构分析

光学显微镜图像显示，随大麻含量增加，微观结构发生渐进变化。纯PLA表面均匀，有典型平行条纹；PLA+2.5%大麻显示沿条纹的较轻区域，表明纤维整合；PLA+5%大麻则显示更明显的颗粒特征和纹理变化，粗糙度和颗粒簇集增加。这些不规则界面可能创建额外的能量耗散机制，解释了大麻增强样本（尤其是5%成分）中测量的增强阻尼比。

SEM-EDS分析

SEM-EDS分析揭示PLA+2.5%大麻样本主要由碳（87.9 at%）和氧（11.6 at%）组成，并检测到锌、铁、锰、钙、钾、磷和硅等微量元素。这些元素可能源自大麻组分，代表植物材料中的天然矿物质。元素分布图显示锌和铁以局部簇形式而非均匀分布。PLA+5%大麻样本中碳含量降至68.5 wt%（75.3 at%），氧含量显著增至29.0 wt%（23.9 at%），表明含氧化合物比例更高。检测到的微量元素浓度更高，包括锌（0.5%）、硅（0.3%）、磷（0.4%）等，这些矿物质以局部簇形式分布，浓度高于2.5%大麻样本。更高的氧含量反映大麻纤维的纤维素成分增加，其羟基基团多于纯PLA。硅含量增加表明来自大麻植物细胞壁的二氧化硅含量更高，可能通过创建额外增强点贡献复合材料机械性能。

基于ASTM E1876的弹性性能评估

通过ASTM E1876标准评估弹性性能，采用脉冲激励技术测量共振频率。模态测试使用OROS OR34四通道动态信号分析仪，频率带宽0–25 kHz。测试样本为PLA增强复合材料，尺寸150 mm×50 mm×5 mm，通过FDM 3D打印制造，大麻纤维含量 varying（0%、2.5%和5% wt）。模态分析通过弯曲配置下的频率响应测量确定弹性模量。结果显示，加入2.5%大麻纤维（PLA-H2.5）使弹性模量从3.60 GPa大幅降至2.41 GPa（降低33%），峰值频率从400.6 Hz降至335.6 Hz。刚度降低归因于天然大麻纤维的模量低于PLA基质及潜在的纤维-基质界面效应。将大麻含量增至5%（PLA-H5）显示弹性模量轻微恢复至2.37 GPa，峰值频率至349.4 Hz，但仍显著低于纯PLA。样本质量随大麻含量增加而逐步下降（44 g至42 g至38 g），表明大麻纤维密度低于PLA。损失因子代表材料阻尼特性，PLA-H2.5显示最高值（0.0834），表明能量耗散 capacity增强，而纯PLA和PLA-H5显示相对较低且相似的损失因子（0.0399和0.0343）。这些发现证明大麻纤维增强降低PLA复合材料整体刚度，同时可能改善阻尼性能，最优纤维含量约为2.5%以最大化能量耗散特性。

结论

本研究将大麻粉末纳入聚乳酸（PLA）以开发适用于3D打印的轻质生物复合材料，特别是在生物启发蜂窝结构制造中。主要结论包括：在5%大麻负载下实现材料密度降低37%，2.5%大麻含量使拉伸强度提高29.6%，杨氏模量改善21.7%，表明刚度和结构性能增强。强化含量与功能性能之间存在 clear correlation，中等大麻负载下性能最优。SEM分析显示2.5%大麻下纤维分散均匀，而5%大麻导致纤维簇集和孔隙率增加。EDS分析确认大麻衍生矿物质（Zn、Si、P）存在，5%大麻复合材料中氧含量更高（29%），表明界面粘结改善。此外，PLA-大麻界面处的结构不连续性通过能量耗散贡献改善阻尼行为。ASTM E1876模态分析显示大麻增强降低刚度但增强阻尼，2.5%大麻提供最高能量耗散（损失因子：0.0834），尽管弹性模量降低（2.41 GPa）。振动基方法有效表征通过FDM制造的可生物降解大麻-PLA复合材料动态性能。2.5%大麻含量被确定为可持续应用中结构完整性与阻尼性能之间的最佳平衡。所开发PLA-大麻复合材料展示强度、减轻重量和振动吸收的有前景组合，使其适用于需要高阻尼性能的先进结构应用。进一步研究应解决可扩展性、湿度效应、天然纤维性能 variability及长期环境稳定性。

局限性与未来工作

本研究存在某些 limitations 应在未来工作中解决。首先，实验室规模FDM 3D打印过程在工业规模制造中可能遇到挑战，特别是在确保均匀纤维分散和保持更高生产量下最优大麻含量比。其次，天然大麻纤维固有生物 variability，包括机械性能和表面化学的批次间差异，可能影响观察到复合材料增强的可重复性和一致性。最后，所开发复合材料在环境条件下（如紫外线暴露、湿度循环和温度变化）的长期稳定性仍未探索，需进一步调查以评估其在实际应用中的耐久性和持续性能。