Sustainable Fabrication of FDM-Printed Jute/PLA Biocomposites: Effect of Fiber Volume Fraction on Mechanical and Thermal Performance

技术摘要：FDM 打印黄麻/PLA 生物复合材料的可持续制造

问题陈述
不可降解塑料废弃物的快速积累以及石油基原材料的枯竭，使得开发增材制造的可持续替代方案变得至关重要。虽然聚乳酸（PLA）是一种源自可再生原料的领先生物降解热塑性塑料，但它存在固有的局限性，包括高脆性、低热变形温度（55–60 °C）以及在高于 200 °C 的加工温度下发生热降解的问题。尽管通过将 PLA 与黄麻等天然纤维进行共混可以提供提高刚度、强度和热稳定性的途径，但纤维体积分数 ($V_f$) 以及后处理热固化对熔融沉积建模（FDM）打印的黄麻/PLA 生物复合材料的热机械性能的具体影响仍未得到充分理解。此外，黄麻纤维的亲水特性往往导致其与疏水性 PLA 基体之间的界面粘附力较差，从而导致空隙形成和脱层。

研究方法
本研究采用系统化的方法，利用 FDM 技术制造并表征黄麻/PLA 生物复合材料。

• 材料： 采用商业级 PLA（NatureWorks 3052D）作为基体，使用未经处理的短黄麻纤维（长度 4–6 mm）作为增强体。
• 制造： 复合材料丝材通过双螺杆挤出工艺制备，目标纤维体积分数为 10、20 和 30 vol.%（表征范围延伸至 50%）。样品使用具有 0.40 mm 喷嘴的 FDM 打印机进行打印，填充率为 100%，铺层角度为 ±45°。
• 后处理： 在 160 °C 至 180 °C 的温度范围内，在热风烘箱中进行受控的热固化过程，以研究界面完整性和结晶度。
• 表征： 研究利用了一套综合分析技术：
  • 机械性能： 拉伸、弯曲和硬度测试（遵循 ASTM 标准）。
  • 物理性能： 密度和吸水率测量。
  • 热性能： 用于测量熔融温度和结晶度的差示扫描量热法（DSC）；用于研究热稳定性和残余炭份的热重分析（TGA）。
  • 微观结构/分子结构： 扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线衍射（XRD）。
  • 建模： 基于混合法则（Rule of Mixtures）的理论计算和有限元建模概念被用于验证实验数据。

核心贡献
本研究建立了 FDM 打印黄麻/PLA 生物复合材料的“加工-结构-性能”关联。主要贡献包括：

1. 纤维体积分数的优化： 研究确定了一个最佳纤维负载范围（25–35 vol.%），该范围可在最大化机械性能的同时，最大限度地减少诸如团聚和孔隙率等缺陷。
2. 热固化效应： 研究表明，在 160–165 °C 下进行后固化能显著增强界面结合、结晶度和热稳定性，而高于此温度的固化温度可能会诱发热松弛。
3. 多尺度表征： 本文提供了详细的分析，将分子间相互作用（纤维素羟基与 PLA 酯基之间的氢键）与宏观机械性能及表面形貌联系起来。
4. 定量指标： 该工作量化了拉伸强度、弯曲模量和结晶度的提升情况，为可持续结构部件的设计提供了具体的数据点。

关键结果

• 机械性能： 在 160–165 °C 固化及 25–35 vol.% 纤维含量下达到最佳机械性能。
  • 拉伸强度： 与 63 MPa 的纯 PLA 相比，拉伸强度增加了约 14%，在 30% $V_f$ 和 160 °C 条件下达到最大值 72 MPa。
  • 弯曲强度： 表现出显著提升，从 100 MPa（纯 PLA）上升到 35% $V_f$ 和 160 °C 时的峰值 315 MPa。
  • 模量： 杨氏模量增加了约 10%（达到 3.85 GPa），且在最佳条件下，弯曲模量从 4.0 GPa 增加了一倍以上，达到 8.5 GPa。
  • 硬度： 在 25–30% 纤维含量及 160 °C 条件下，Barcol 硬度达到峰值 38。
• 微观结构观察：
  • 分散性： SEM 和 TEM 显示，在中等负载量下，纤维分散均匀且基体润湿良好。然而，在高负载量（≥45–50%）下观察到了纤维团聚、空隙和脱层，导致性能下降。
  • 表面粗糙度： AFM 分析表明，随着纤维含量的增加，表面粗糙度（$R_a$）从 37.8 nm 降低至 20.0 nm，表明结合更加紧密。
  • 界面： TEM 和 FTIR 证实了存在一个明显的中间相区域，其中存在氢键，有助于实现有效的应力传递。
• 热性能：
  • 结晶度： XRD 和 DSC 结果显示，由于黄麻纤维的异相成核效应，随着纤维负载量的增加，PLA 的结晶度从 22.3% 提高到 27.5%。
  • 熔融温度： 随着纤维含量的增加，复合材料的熔融温度从 162.5 °C 升高至 165.1 °C。
  • 热稳定性： TGA 显示，随着纤维含量的增加，残余炭份从 8.2% 增加到 15.1%，表明热稳定性有所提高，尽管降解起始温度受天然纤维较低热稳定性的影响。
• 吸水率： 由于黄麻的亲水性，吸水率随纤维含量的增加而单调上升，从 0.5%（纯 PLA）上升到 50% $V_f$ 时的 22%。较高的固化温度通过减少空隙含量，部分缓解了这一现象。

意义
论文得出结论，通过 FDM 制造的黄麻/PLA 生物复合材料是传统合成纤维增强聚合物在结构工程应用中一种可行、轻质且环境可持续的替代方案。该研究阐明了实现高性能生物复合材料所需的纤维体积分数与热加工参数之间的关键平衡。通过证实适中的纤维负载量（25–35%）和受控固化（160–165 °C）可以优化机械强度、热稳定性和界面完整性，这项工作为设计下一代生物降解材料提供了重要指导。研究结果支持了开发不依赖于合成增强体的、高性能且环保型组件的发展。