《Journal of Polymer Science》：Valorization of Poplar Wood Wastes Into 3D-Printed Soya Oil-Based Composites by Vat Photopolymerization for Interior Design
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本研究针对家具制造过程中产生的杨木废料，探索了一种可持续的、面向循环经济的材料解决方案。研究人员通过液晶显示（LCD）光固化（VPP）3D打印技术，将两种杨木粉末（PI和PIV）作为生物填料，掺入丙烯酸酯化环氧化大豆油（AESO）基光固化树脂中，成功制备了生物基复合材料。研究系统评估了复合材料的流变性、可打印性、热学、形态学、力学及粘弹性性能，并优化了打印参数。结果表明，所得复合材料打印精度高、机械性能得到增强，并成功应用于设计并打印了家具连接件（如螺钉、螺母、角码等），为家具和室内设计领域提供了一种定制化、高分辨率、环境友好的新型生物材料，验证了利用工业废弃物开发高性能复合材料的可行性与应用潜力。
在全球致力于向循环经济转型的背景下，传统制造业，尤其是家具和建材行业，正面临减少环境足迹、提高资源利用率的巨大压力。聚合物材料因其优异的性能和成本效益而被广泛应用，但其大多来源于不可再生的石油资源。与此同时，以杨木为主要原料的胶合板制造业每年产生大量木质废料，如边角料、锯末和圆木芯，这些废料通常仅被降级回收用作生物质燃料，价值未能充分发挥。如何将农业和工业废弃物“变废为宝”，转化为高附加值的功能性材料，成为材料科学和可持续设计领域的热点问题。增材制造（3D打印）技术，特别是光固化3D打印，以其卓越的设计自由度和近乎零浪费的制造方式，为个性化、复杂结构产品的生产提供了革命性手段。然而，当前可用于光固化3D打印的环保型生物基树脂仍然有限，这在一定程度上制约了该技术在可持续制造领域的广泛应用。那么，能否将家具产业的废弃杨木与可再生的植物油树脂相结合，通过先进的3D打印技术，创造出既环保又高性能的新材料，并直接用于制造家具构件呢？这项发表在《Journal of Polymer Science》上的研究，正是针对这一挑战给出的创新性答案。
为了回答上述问题，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用流变学测试评估了含杨木粉末（PI和PIV）的光固化树脂配方的粘度，以确保其满足光固化3D打印的工艺要求。其次，利用光差示扫描量热法（photo-DSC）分析了配方的光聚合反应动力学。核心制造技术是采用基于液晶显示（LCD）的光固化（Vat Photopolymerization, VPP）3D打印技术，在优化打印参数（如曝光时间、层高、升降速度）后，制备了用于性能测试的标准样条（如狗骨样条）以及一系列复杂的结构件和家具连接件。在材料表征方面，综合运用了热重分析（TGA/DTG）、扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌、动态机械热分析（DMTA）评估粘弹性和玻璃化转变温度（Tg），以及拉伸测试来获得材料的力学性能数据。
3.1 杨木粉末表征
研究人员首先对两种来源不同的杨木粉末（PI和PIV）进行了系统表征。热重分析表明，两者在200°C至450°C之间发生主要的热降解，对应于木质纤维素组分（半纤维素、纤维素和木质素）的分解，且灰分含量较低（5-6 wt%）。扫描电镜图像显示，PI呈不规则碎片状，而PIV则呈现更致密、更规则的片层状结构。I (a, b) and PIV(c, d).">粒度分析表明PIV的颗粒平均直径大于PI。这些基础表征为了解填料对后续复合材料性能的影响提供了依据。
3.2 光固化配方表征
流变学测试显示，加入3 phr（每百份树脂中的份数）的杨木粉末后，树脂体系的粘度有所增加，但仍远低于光固化3D打印工艺要求的临界值，表现出剪切稀变行为，具有良好的可打印性。I, and A-IB?+?3PIV.">光差示扫描量热法分析表明，杨木粉末的加入对光聚合反应的焓变影响不大，但略微降低了反应峰值强度并延长了达到峰值的时间，表明填料对光聚合有轻微的抑制作用，需要在打印时适当调整曝光参数。
3.3 基于LCD的AESO样品3D打印
通过系统优化打印参数（包括层厚、曝光时间、升降速度等），研究人员成功使用LCD 3D打印机打印出了高密度的立方晶格结构和具有复杂内部空腔的层级结构。视觉检查表明，含有杨木填料的复合样品打印分辨率高、层间粘合牢固、边缘清晰，几何形状保持完好，证明了其打印复杂结构的可行性。
3.4 光固化样品表征
对打印后的样品进行性能测试发现，所有样品的凝胶含量均超过99%，表明形成了高度交联的网络结构。热重分析显示，加入杨木粉末并未显著降低复合材料的热稳定性。扫描电镜观察断裂面显示，杨木粉末在AESO基体中分布均匀，且与聚合物基质结合良好，无明显界面脱粘。I (c, d), and A-IB?+?3PIV(e, f).">动态机械热分析结果表明，加入杨木填料后，复合材料在25°C下的储能模量（E′）和玻璃化转变温度（Tg）均有提高，交联密度也显著增加。E′ (a), and TanDelta (b).">拉伸测试数据进一步证实了填料的增强效果：与未填充的A-IB样品相比，填充PI或PIV的复合材料其杨氏模量和极限拉伸强度均大幅提升，但断裂伸长率有所下降，材料变得更加刚硬。
4 家具连接件的设计
作为概念验证，研究团队利用优化后的生物基复合材料，设计并3D打印了一系列用于家具和室内设计的连接件。这些部件包括螺钉、螺母、螺栓、角码、盖板以及用于板件连接的固定件和卡扣件。研究人员将这些打印的连接件与12毫米厚的杨木胶合板面板进行了实际装配测试，展示了其在不同连接方式（如螺钉紧固、卡扣连接）下的功能性和装配效果。IV (a), A-IB?+?3PI(b), snap-fit connection element based on A-IB?+?3PIV(c), and A-IB?+?3PI(d). Plates between plywood panels based on A-IB?+?3PIV (e) and A-IB?+?3PI (f).">
研究结论与意义
本项研究成功地将胶合板工业产生的杨木废料粉末作为生物填料，整合到基于丙烯酸酯化环氧化大豆油（AESO）的光固化树脂中，并通过LCD光固化3D打印技术制备了高性能的生物基复合材料。研究表明，适量（3 phr）杨木粉末的加入，在基本不影响树脂打印性和热稳定性的前提下，显著提高了复合材料的刚度、强度和交联密度。微观结构分析证实了填料与基质之间良好的界面结合。
这项工作最重要的意义在于，它为实现“意大利制造”的循环与可持续发展（MICS项目目标）提供了一个具体的技术范例。它创造性地将农业工业废弃物（杨木）、可再生生物基原料（大豆油）和先进的数字化制造技术（3D打印）三者融合，打通了从“废料”到“高价值设计产品”的路径。所开发的材料与工艺不仅为家具、室内设计及建筑领域提供了定制化、可持续的连接解决方案，也展示了增材制造技术在促进不同产业部门间协同共生、构建循环经济新模式方面的巨大潜力。未来，基于此类生物复合材料，可以进一步开发承受更大力学载荷的构件，并将应用拓展至更广泛的生态设计和绿色建筑领域。
