大麻纤维增强PLA生物复合材料的3D打印创新：力学性能与微观结构特性研究及其在可持续制造中的应用

本综述系统探讨了 hemp fiber reinforced PLA composites（大麻纤维增强聚乳酸复合材料）在可持续3D打印（FDM）中的应用。研究表明，2.5% hemp 掺入使 PLA 拉伸强度提升29.6%，杨氏模量提高21.7%，密度降低37%，并显著改善阻尼性能。SEM-EDS 分析证实 hemp 纤维中 Zn、Si、P 等微量矿物质有助于界面结合，ASTM E1876 振动测试表明材料在减振应用方面潜力显著，为环保增材制造提供新方向。

　　

引言

随着环保意识的提升和性能需求的增长，可持续3D打印材料的开发日益受到重视。聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）作为一种源自玉米淀粉或甘蔗等可再生资源的可生物降解材料，已成为熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）中最主要的选择之一。尽管PLA具有良好的加工性能和环保优势，但其抗冲击性差、热稳定性有限以及低韧性等缺点限制了其在功能构件中的应用。因此，研究者致力于通过各种增强策略在保持其可生物降解性和加工性的同时提升性能，其中天然纤维因其可再生、可降解、低密度和优良力学性能而显示出巨大潜力。

大麻纤维（hemp fiber）源自 Cannabis sativa，因其卓越的强度、刚度和天然丰富性，成为PLA的理想增强材料。大麻种植所需农药、除草剂和肥料极少，且在生长过程中能主动固定二氧化碳，进一步增强了其环保优势。近年来，化学处理纤维（如碱处理）被证明能有效去除木质素和半纤维素等杂质，提升纤维强度、柔韧性和界面结合力，从而优化复合材料性能。

增材制造（尤其是FDM技术）彻底改变了复杂几何结构和可定制内部结构的生产方式。这种制造灵活性使得仿生设计能够根据功能需求分布材料，从而优化性能。3D打印部件的力学行为既取决于基体材料特性，也受打印参数（如填充图案、密度和层厚）的显著影响。当天然纤维被加入打印长丝时，这些参数需要仔细优化以确保一致的质量和性能。

动态力学行为在振动和冲击条件下对许多工程应用至关重要。研究表明，天然频率和阻尼比受核心设计和材料组成的影响，阻尼性能在能量吸收应用中具有重要意义。开发PLA-大麻复合长丝需要多学科方法，结合聚合物加工、纤维处理、复合材料理论和增材制造原理。本研究通过系统研究不同大麻浓度（0%、2.5%和5%）下PLA-大麻混合长丝的合成、表征和优化，旨在建立克服纯PLA局限性同时保持FDM加工性能的高性能可持续3D打印材料的设计指南。

材料与方法

材料

本研究使用商业级PLA颗粒和工业大麻粉末作为主要原材料。PLA颗粒呈半透明状，尺寸分布均匀，在加工前需彻底去除水分以防止挤出过程中的水解降解。这一关键的预处理步骤包括在80°C的实验室级真空烘箱中干燥4小时，有效去除残留水分同时防止聚合物热降解。

大麻纤维来源于工业用Cannabis sativa植物，THC含量可忽略不计。大麻是一种强大的韧皮纤维，长度1-5米，直径16-50微米，耐热和耐日光降解。其结构包括被成为腔隙（lumen）的韧皮纤维束包围的内硬核，具有多壁结构。组成上包含68-74.9%纤维素、15.2-22%半纤维素以及3.8-10%木质素、果胶和蜡。

在本研究中，预处理过的切段大麻纤维（平均粒径300μm）购自M/s Vrushka Enterprises，海得拉巴，而PLA颗粒来自M/s Solidspace LLP，那格浦尔。两种材料均以化学处理和干燥形式供应；但作为预防措施，大麻纤维在阳光下干燥24小时以消除任何残留水分。随后通过300μm、150μm和75μm孔径的电子筛分机进行分级筛分，产生均匀的细粉末，最终减少至75μm，适合增强PLA基体。这种受控的粒径分布对于聚合物基体中的均匀分散和平滑挤出加工至关重要。为进一步消除可能造成加工缺陷的残留水分，大麻粉末在受控条件下自然晒干24小时，定期翻动材料以确保整批干燥均匀。

制备了三种长丝组合：纯PLA、PLA增强2.5wt.%大麻粉末和PLA增强5wt.%大麻粉末。选择仅2.5%和5%大麻纤维含量的原因基于两个关键考虑：初步实验表明，高达5%的大麻含量可显著改善物理和力学性能，而超过5%的含量在长丝挤出过程中会导致堵塞和不均匀挤出，归因于脆性增加和纤维团聚；其次，关于天然纤维增强PLA复合材料（如大麻、黄麻和亚麻）的文献报告通常确定最佳范围在2%至6%之间，以平衡机械性能和可打印性，较高纤维含量往往导致团聚、分散差和由于纤维拔出而减少的界面结合，导致强度和质量下降。

具有不同大麻纤维含量的长丝通过系统的两阶段过程制备，包括材料混合和长丝挤出。在材料混合阶段，PLA颗粒和大麻粉末按指定比例物理预混合，以实现整个复合材料基体中的均匀分布。随后，使用单螺杆长丝挤出机（M/s Solidspace LLP, Nagpur）在受控参数下加工，包括170–185°C的温度分布、20 rpm的螺杆速度和1.75±0.05 mm的模具直径。在整个挤出过程中，使用激光测微仪连续监测长丝直径以确保尺寸一致性，同时通过水浴和空气冷却系统组合实现冷却以保持长丝质量。

方法论

3D打印测试样本

测试样本通过增材制造开发。3D打印使用喷嘴尺寸0.4 mm的FDM打印机，长丝尺寸为1.75 mm。针对不同PLA+大麻复合材料变体的优化3D打印参数显示，随着大麻纤维含量的增加，需要系统调整。在测试样本的3D打印过程中，所有三种组合的纤维取向均为0度。对于纯PLA，最佳打印条件包括喷嘴温度200°C、床温60°C、打印速度45 mm/s、层高0.15 mm、全风扇速度100%以及标准流量率100%和完全填充密度。当加入2.5%大麻纤维（PLA-H2.5）时，参数需要适度调整：喷嘴温度升至210°C，床温升至65°C，打印速度降至40 mm/s，层高增至0.18 mm，风扇速度降至90%，流量率增至105%，同时保持100%填充密度。对于最高大麻含量变体（PLA-H5），需要更显著的参数修改：喷嘴温度达到220°C，床温升至70°C，打印速度进一步降至35 mm/s，层高扩大至0.2 mm，风扇速度降至85%，流量率增至110%，填充密度保持100%。

这些逐步调整适应了增加的纤维含量，确保适当的材料流动、粘附和打印质量，同时补偿由天然大麻纤维引入的改变的热和流变特性。根据ASTM D638 Type V标准，为每种长丝变体制备了三组相同的拉伸测试样本。总共打印了九个样本进行表征，每种组合（PLA +0 H、PLA +2.5 H和PLA +5 H）三个重复。用于样本制造的FDM基3D打印过程如图所示。二维拉伸测试样本图纸如图所示，三种变体的3D打印测试样本（PLA+H0、PLA+H2.5、PLA+H5）如图所示。

实验设置

拉伸强度

根据ASTM D638标准，在万能试验机上进行拉伸测试。测试在5 mm/min的十字头速度、5 kN的负载单元和23±2°C的温度下进行。拉伸测试设置如图所示。

微观结构检查

使用光学显微镜（Make: Radical Instruments, Model: RMM-77）配备CCD相机进行数字成像，对开发的长丝进行微观结构分析。在样本制备中，使用锋利刀片将长丝切成10 mm段以确保精确切割。切割端随后研磨以获得垂直平坦表面，最小化内部结构损伤或伪影形成的风险。制备的样本安装在平台上，在10倍放大下检查，以评估大麻纤维在PLA基体中的分布和纤维-基体界面质量。

扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）

使用JEOL JSM-6510LV扫描电子显微镜配备Edax Apex Software系统进行光谱分析，对两个样本PLA+H2.5和PLA+H5进行SEM-EDS分析。断裂表面切成10×10 mm，安装在铝桩上并金涂层。操作参数为10 kV加速电压、10 mm工作距离和50点尺寸。图像在50-5000倍放大下捕获，并进行元素组成分析。

可生物降解大麻纤维增强PLA长丝的力学表征

对拉伸强度的影响

在PLA-大麻复合材料上进行的拉伸测试显示，随着大麻含量的增加，力学性能发生系统性变化。三种变体的比较图如图所示。

从拉伸测试数据中观察到，PLA+2.5%大麻显示最高拉伸强度，最大力为237.00 N。PLA+5%大麻强度略低，为221.30±5 N（-6.6%）。纯PLA显示最低强度，为169.50±3 N（-28.5%）。大麻纤维的加入似乎增强了PLA的拉伸强度。2.5%大麻含量导致比更高含量（5%）更显著的强度。纯PLA的断裂伸长率为5.2 mm，PLA+2.5%大麻为5.65 mm，PLA+5%大麻为5.7 mm，与2.5%大麻几乎相同。纯PLA的杨氏模量为3.2 GPa，PLA+2.5%大麻为3.76 GPa，PLA+5%为4.09 GPa。因此，从0%到2.5%大麻，杨氏模量增加17.5%，在5%大麻时进一步增加8.7%。这证明了大麻纤维对刚度的增强效应，即使材料整体变得更轻，相应地拉伸强度也发生变化。这些力学性能变化与增强的阻尼特性相关。大麻颗粒产生的结构不连续性，虽然降低了绝对强度，但创造了能量耗散机制，改善了振动吸收性能。5%大麻加载展示了一个关键权衡，其中增强的阻尼以结构刚度为代价。虽然通过增加的界面不连续性发生改进的能量耗散，但纤维团聚创建了弱区，损害了载荷传递效率。这一悖论需要应用特定优化，2.5%加载为结构应用提供最佳平衡，而更高加载可能适合振动控制应用，尽管有机械损失。强度与阻尼能力之间的这种权衡代表了生物启发复合材料潜在应用的关键设计考虑。

基于实验发现，制造的可生物降解PLA–大麻复合材料展现出优于纯PLA的力学性能，并与先前报道的传统天然纤维增强复合材料相当或更好。详细比较了开发复合材料与公布文献的数据，突出表明所提出材料在保持可生物降解性和适合增材制造应用的同时实现了竞争性力学性能。

对微观结构的影响

10倍放大的光学显微镜图像显示，随着大麻含量的增加，微观结构发生渐进变化。第一张图像（PLA+H0）显示相对均匀的表面，具有纯PLA聚合物典型的平行条纹。第二张图像（PLA+H2.5）显示沿条纹的独特较亮区域，表明2.5%浓度下大麻纤维整合。图像3（PLA+H5）显示更显著的颗粒特征和纹理变化，具有增加的粗糙度和大麻颗粒团聚。三种长丝样本的显微照片如图所示。

微观结构检查证实了在两种浓度水平下成功加入大麻粉末。纯PLA显示特征性的定向聚合物链，具有最小不规则性。在2.5%大麻含量下，微观结构表现出早期阶段纤维分布，部分沿挤出方向对齐。5%大麻样本证明更显著的纤维团聚和增加的表面粗糙度。微观结构的渐进变化与振动测试中观察到的改进阻尼特性相关。大麻颗粒和PLA基体之间的不规则界面可能创建额外的能量耗散机制，解释了在大麻增强样本中测量的增强阻尼比，特别是在5%组合中。

SEM和EDS测试

PLA+2.5%大麻的SEM-EDS结果

PLA+2.5%大麻断裂样本的SEM-EDS分析显示主要碳和氧组成，与聚乳酸预期分子结构一致。元素分布图显示碳（87.9原子%）、氧（11.6原子%）和其他剩余元素（0.5原子%）形成材料主体。SEM-EDS图像连同元素谱与误差如图所示。SEM图像显示异质表面形态，具有可见颗粒包裹体和一些空隙，特征为纤维增强聚合物复合材料。元素映射表明锌和铁分布在局部团簇而非整个基体均匀。检测到几种痕量元素，包括锌（0.1%）、铁（0.1%）、锰（痕量）、钙（痕量）、钾（痕量）、磷（0.1%）和硅（0.1%）。这些次要元素可能源自大麻成分，代表植物材料中发现的天然矿物质和营养素。主要碳和氧组成（重量分别为83.7%和14.7%）确认了主要PLA结构，而痕量矿物质的存在验证了大麻纤维的加入。像锌这样的元素团簇分布表明大麻颗粒在PLA基体中分散不完全。磷、钾和钙元素的检测，这些通常在植物材料中发现，提供了成功大麻加入的决定性证据。这些元素是植物生长中的必需营养素，常见于天然纤维中。通过EDS检测的矿物质含量确认大麻粉末在长丝生产和3D打印过程中保留了其天然组成。这种大麻元素结构的保存对于潜在增强力学性能（如振动测试中观察到的改进阻尼行为）至关重要。

PLA+5%大麻的SEM-EDS结果

PLA-2.5断裂样本的SEM-EDS分析显示与PLA+2.5%样本相比组成有显著差异。碳含量降至68.5重量%（75.3原子%），而氧大幅增至29.0重量%（23.9原子%），剩余元素（0.8原子%）。这种转变表明5%大麻复合材料中存在更高比例的含氧化合物。捕获的SEM-EDS图像如图所示。

SEM图像显示独特形态特征，包括球形颗粒和纤维结构散布在50μm尺度的表面上。这些特征可能是PLA基体中的大麻纤维碎片和团聚。检测到的痕量元素包括锌（0.5%）、硅（0.3%）、磷（0.4%）、钾（0.3%）、钙（0.2%）、锰（0.4%）和铁（0.3%）。元素映射显示这些矿物质分布在局部团簇中，浓度高于2.5%大麻样本中观察到的。5%大麻样本中较高的氧含量反映出来自大麻纤维的增加的纤维素成分，其比纯PLA含有更多羟基。这种组成转变与加入更高百分比天然纤维时的预期变化一致。矿物质元素（尤其是锌、硅、磷和钾）浓度的增加提供了成功大麻加入达到目标5%水平的清晰证据。这些元素源自大麻植物的天然矿物质组成，并作为纤维存在的元素标记。元素映射中可见的更显著矿物质元素团簇表明大麻颗粒在更高浓度下可能形成团聚。这一观察与振动测试中观察到的增强阻尼特性相关，因为这些颗粒团簇可能在复合材料内创建额外的能量耗散机制。硅在更高水平（0.3%）的存在比2.5%样本表明来自大麻植物细胞壁的二氧化硅含量增加，通过潜在创建额外增强位点贡献于复合材料的力学性能。

使用基于ASTM E1876的振动测试评估可生物降解大麻纤维增强PLA长丝的弹性特性

基于ASTM E1876评估PLA与大麻材料的弹性特性，如Thanikasalam, N and Ramamoorthy, M所述。ASTM E1876规定了在环境温度下确定材料动态弹性特性的程序。该方法基于样本表现出特定机械共振频率，这些频率受其弹性模量、质量和几何形状影响。它可应用于复合或各向异性材料（颗粒、晶须或纤维增强系统）的动态杨氏模量确定，仅 after considering the reinforcement’s effect on the specimen。

在本研究中，ASTM E1876采用脉冲激励技术，其中样本被轻击以诱导振动。 resulting resonant frequencies 使用加速度计测量，这些频率用于计算动态弹性特性，如弹性模量和阻尼特性。这种方法是无损的，特别适用于评估3D打印复合材料，因为它捕获微观结构特征对振动阻尼和刚度的影响，使其在需要降噪、振动隔离或抗疲劳性的功能性能评估中具有价值。

使用的振动测试设置基于ASTM E1876评估弹性特性。模态测试使用OROS OR34四通道动态信号分析仪（OROS, France）进行，频率带宽0–25 kHz。系统集成NVGate分析软件（Version 11）用于同步数据捕获和信号处理操作。机械激励通过仪器化冲击锤（Endevco, USA）生成，而结构响应测量使用精密加速度计（Meggit, USA）获取。冲击锤配备一套三个可更换尖端配置（软、中和硬硬度）以优化不同测试要求的频率内容。加速度计安装使用薄蜂蜡层实现可靠机械耦合，同时防止对测试样本的显著质量加载影响。信号预处理通过内置电荷放大电路在OR34分析仪内完成，校准参数根据 respective transducer sensitivity specifications 为冲击锤和加速度计传感器配置。PLA增强复合材料的测试样本尺寸150 mm×50 mm×5 mm通过FDM 3D打印制造，具有不同大麻纤维含量（0%、2.5%和5%重量）。进行模态分析以通过弯曲配置中的频率响应测量确定弹性模量。实验设置如图所示， derived elastic properties 总结于表中。

从表中得出结论，大麻纤维的加入显著影响PLA复合材料的动态力学性能。加入2.5%大麻纤维含量（PLA-H2.5）导致弹性模量从3.60 GPa大幅降至2.41 GPa（33%减少），伴随峰值频率从400.6 Hz降至335.6 Hz。这种刚度减少可归因于天然大麻纤维相比PLA基体的较低模量和潜在纤维-基体界面效应。有趣的是，增加大麻含量至5%（PLA-H5）显示弹性模量略有恢复至2.37 GPa和峰值频率至349.4 Hz， though still remaining significantly lower than pure PLA。样本质量随着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，对PLA-H2.5显示最高值（0.0834），表明增强能量耗散能力，而纯PLA和PLA-H5显示相对相似和较低损失因子（0.0399和0.0343 respectively）。这些发现证明大麻纤维增强降低了PLA复合材料的整体刚度，同时潜在改善阻尼特性，最佳纤维含量似乎在2.5%左右以最大化能量耗散特性。

PLA-大麻复合材料的改进阻尼行为可以减少振动、噪音和疲劳损伤，使其适用于功能原型、电子外壳、工具手柄、矫形组件、汽车内饰和低振动结构部件。这些发现将实验室结果与增材制造中潜在实际应用联系起来。

结论

本研究调查了将大麻粉末加入聚乳酸（PLA）以开发适用于3D打印的轻质生物复合材料，特别是在制造生物启发细胞结构中。研究的以下结论总结如下：

1. 1.
   观察到显著的机械增强，在5%大麻加载下，材料密度降低37%，2.5%大麻含量导致拉伸强度增加29.6%，杨氏模量改善21.7%，表明刚度和结构性能增强。
2. 2.
   观察到增强含量与功能特性之间的清晰相关性，中等大麻加载下性能最佳。SEM分析显示2.5%大麻下纤维分散均匀，而5%大麻导致纤维团聚和孔隙率增加。EDS分析确认了大麻衍生矿物质（Zn、Si和P）的存在和5%大麻复合材料中较高氧含量（29%），表明改进界面结合。
3. 3.
   此外，PLA-大麻界面处的结构不连续性通过能量耗散贡献于改进阻尼行为。
4. 4.
   ASTM E1876模态分析显示大麻增强降低了刚度但增强了阻尼，2.5%大麻提供最高能量耗散（损失因子：0.0834），尽管弹性模量减少（2.41 GPa）。
5. 5.
   振动基方法有效表征了通过FDM制造的可生物降解大麻–PLA复合材料的动态特性。2.5%大麻含量被确定为可持续应用中结构完整性和阻尼性能之间的最佳平衡。
6. 6.
   开发的PLA–大麻复合材料展示了强度、减轻重量和振动吸收的有希望组合，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、天然纤维特性变异性和长期环境稳定性。

局限性与未来工作范围

本研究有一定局限性，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体积下的最佳大麻含量比率。其次，天然大麻纤维的固有生物变异性，包括力学性能和表面化学的批间差异，可能影响观察到的复合材料增强的可重复性和一致性。最后，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，需要进一步调查以评估其在实际应用中的耐久性和持续性能。