通过材料挤出和熔融颗粒制造工艺加工的杂化碳纳米管-氧化石墨烯增强聚丙烯的机械、热学及微观结构表征

《Progress in Additive Manufacturing》：Mechanical, thermal and microstructural characterization of hybrid CNT–GO reinforced polypropylene processed by material extrusion and fused granule fabrication

　　材料挤出增材制造（MEX）聚丙烯（PP）受翘曲、层间粘附性差和力学性能不足的限制。通过溶剂辅助分散法制备了多壁碳纳米管（MWCNTs）和氧化石墨烯（GO）增强的PP纳米复合材料，并分别采用MEX和熔融颗粒制造（FGF）工艺进行加工。对比了CNT-GO杂化体系和单一填料配方，以评估增强机制和加工路线。与同工艺加工的纯PP相比，纳米填料的引入使拉伸强度最高提升71%（F1，MEX），拉伸模量最高提升55%（F2，FGF）。这些数值以打印纯PP为基准，由于层间孔隙的存在，其绝对基线低于传统加工的PP。弯曲强度和弯曲模量分别最高提升71%（F1，FGF）和57%（F1，MEX）。断裂应变取决于填料类型：拉伸条件下，杂化体系变化范围为+19%（F1-MEX）至-47%（F3-FGF），纯GO体系为+20%（F5-MEX）至-60%（F4-FGF），纯CNT体系为+20%至+45%；弯曲条件下，杂化体系降低34-77%，纯GO体系最高降低79%。缺口Izod冲击能量相对纯PP变化-6%至+13%，其中F3增幅最大（+13%，MEX）；F1分别为+5%（MEX）和+8%（FGF）。F1（1 wt% CNT + 1 wt% GO，1:1比例）在所有配方中具有最高的弯曲强度和弯曲模量（MEX为39.90 MPa，FGF为38.96 MPa，分别提升69%和71%），以及最高的MEX拉伸强度（26.90 MPa，提升71%）。由于无法制备等载量（2 wt%）的单一填料对照组，因此无法确认CNT与GO之间的协同效应；F1的FGF拉伸强度为30.50 MPa（+60%），略低于F2的31.30 MPa。单因素方差分析表明配方对拉伸、弯曲和冲击性能有显著影响（p < 0.001）。采用Tukey HSD检验进行配方间的两两比较，Dunnett检验确认F1在拉伸强度和弯曲强度方面与纯PP存在显著差异（p < 0.001）。FTIR表明PP化学结构得到保留，FESEM显示断裂特征与相对均匀的填料分布、粗糙断裂表面、裂纹偏转和桥接现象一致。热分析显示结晶温度和结晶度升高（Xc：纯PP为38-39%，杂化纳米复合材料为41-44%），与异相成核一致；但由于单一填料配方未进行DSC表征，无法确定填料特异性或协同成核机制。MEX和FGF试样在多项性能上表现出相当的力学和热学性能，但部分性能差异超过5%（如拉伸强度和断裂应变）。FGF可望成为大规模生产中替代长丝加工的经济高效且可扩展的方案，而MEX在尺寸公差要求严格的情况下可能仍是首选；然而，本研究未量化成本、回收性、尺寸精度、翘曲、层间强度、熔融指数（MFI）、凝胶渗透色谱（GPC）、残留甲苯和实际填料含量。这些结果表明，杂化CNT-GO增强是提高挤出增材制造PP性能的有效策略，但未证实存在协同效应。