适用于3D打印的可回收麻秸秆纤维增强聚乳酸复合材料（下）

通过动态力学分析，我们深入探讨了回收过程对PLA/大麻秸秆纤维复合材料粘弹性特性的影响。图9a展示了PLA/大麻秸秆纤维复合材料的储能模量（Eʹ）曲线。从图中可以看出，随着回收次数的增加，复合材料的储能模量逐渐降低。特别是当回收次数从30次增加到60次时，储能模量Eʹ的下降趋势变得更加显著，这与机械性能测试结果相吻合。众所周知，天然纤维作为增强材料通常能为聚合物基体提供更高的刚度，进而促进复合材料内部界面应力的有效传递。此外，储能模量Eʹ可能还会受到基质种类、填料类型、填料分布以及填料与基体界面粘附力等多种因素的影响。因此，随着回收次数的增加，复合材料储能模量Eʹ的下降可能表明PLA与大麻秆纤维之间的界面键合强度有所减弱。这将导致纤维与基体的分离，并增加纤维的表面粗糙度，正如前文所述。基于此，我们进一步通过阻尼参数（tan delta（δ））来评估回收对PLA与大麻秆纤维之间界面相互作用的影响。

图 9.（a） 储能模量，以及 （b） PLA/大麻秸秆复合材料在不同回收步骤中的棕褐色增量曲线。

阻尼因子（tan δ）反映了材料在动态负载作用下耗散的能量与储存能量之间的比率。通常，较高的 tan δ 值意味着界面间的相互作用不佳，反之亦然。如图 9b 所示，随着回收次数的增加，棕褐色δ峰值逐渐升高。这进一步证实了聚乳酸（PLA）与大麻秆纤维之间的界面粘结随着回收次数的增加而减弱，这与之前章节讨论的机械性能测试和显微镜观察结果相吻合。此外，样品 R3 和 R4 的棕褐色δ峰值温度有所下降，这暗示了聚乳酸分子量的减少。

热重分析（TGA）曲线如图 10a 所示，而差示扫描量热法（DSC）曲线如图 10b 所示。即便在经过高达四次的回收处理后，复合材料的热重性能也未见显著变化。这表明回收过程不会导致大麻秆增强聚乳酸（PLA）复合材料的热降解，说明该材料适用于需要优异热机械稳定性的应用领域。

图 10.经受不同回收步骤的 PLA/大麻秸秆丝的 TGA 和 DSC 曲线。

与TGA曲线相似，Tg和Tm在与原始复合材料相比时，并未显示出显著的变化。然而，Tc在回收复合材料中略有上升，如图10b所示。这种微小的Tc变化可归因于随着回收步骤的增加，纤维逐渐从基体中拉出。

除了打印的拉伸测试样品的机械和粘弹性外，在回收前后，还从细丝打印出物理对象。由细丝打印的花瓶的数字图像如图11所示。如图所示，即使回收多达三次后，也可以从细丝中重新打印物体。经过四个回收步骤的细丝无法打印，这表明在四个回收步骤后，细丝的可打印性出现了不良下降。在回收过程中纤维与基体的分离可能会对细丝质量产生不利影响，如图6中细丝的拉伸性能所示。据信，这导致了四次回收复合材料（R4）的拉伸性能显著下降，如图7所示。此外，如图5d所示，层间粘附力受大量回收步骤的影响。这归因于界面结合减少，可能是由于回收过程中纤维与基体分离。Xiao等报道了3D打印天然纤维复合材料的层间粘附力差、空隙形成数量增加、孔隙率增加和机械性能降低之间的直接关系。因此，复合材料机械性能的下降和在更多回收步骤中打印的困难可归因于粘合不良。

图 11.经过不同回收次数由麻秆/PLA 细丝打印的物体。

4. 结论

本文深入探讨了利用大麻秸秆纤维增强的聚丙交酯（PLA）复合材料所制成的3D打印细丝。通过实施碱消化和漂白处理，我们成功提取了大麻秆微纤维，并利用这些纤维生产了含有20-40 wt%纤维的PLA基复合材料，这些材料适用于熔融沉积建模技术。拉伸测试结果表明，随着纤维含量的增加，3D打印复合材料的杨氏模量逐渐提升，其中7 wt%复合材料的杨氏模量最高达到1.40 GPa，是纯PLA的两倍。尽管20 wt%配方的拉伸强度仅比纯PLA提高了8%，但纤维的添加显著增强了复合材料的热机械性能。此外，我们还对回收的细丝进行了实际的3D打印测试，以评估其可回收性和可打印性。可回收性研究揭示，随着回收次数的增加，纤维与基质分离的可能性逐渐增大。尽管存在这种趋势，机械性能测试表明，PLA/大麻秸秆纤维复合材料可以重复回收利用至多三次，而不会对机械性能产生显著的负面影响。此外，热分析结果证实，复合材料在多次回收过程中保持了其热稳定性，这表明它们有潜力被应用于对热稳定性有较高要求的领域。

5.参考文献

M.D.H. Beg, K.L. Pickering, John O. Akindoyo, C. Gauss,Recyclable hemp hurd fibre-reinforced PLA composites for 3D printing,Journal of Materials Research and Technology,Volume 33,2024,Pages 4439-4447,ISSN 2238-7854,https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.10.082.