3D打印用大麻杆芯粉增强聚乳酸生物复合材料的力学性能与微观结构

随着环保意识的提升和可持续发展需求的增长，生物基复合材料在3D打印领域备受关注。聚乳酸（PLA）因其优异的机械性能、生物相容性和可降解性成为主流材料，但其成本较高、结晶行为复杂等缺点限制了应用。大麻杆芯（Hemp Hurd, HH）作为农业废弃物，富含纤维素，可作为低成本增强填料，但其颗粒尺寸对PLA/HH复合材料性能的影响尚未系统研究。

本文通过熔融共混制备了PLA/HH生物复合材料，采用流变仪、扫描电镜（SEM）、X射线计算机断层扫描（XCT）等多尺度表征手段，系统分析了HH颗粒尺寸（35、50、160 μm）对PLA/HH生物复合材料流变行为、微观结构、力学性能、孔隙率及3D打印等性能的影响。

                                          图1 图文摘要

研究发现，HH颗粒尺寸增大时，熔体流动性提高，注塑制品冲击强度显著提升，主要是因为小颗粒HH易与PLA脱粘，而大颗粒因长径比高，更易嵌入基体，提升界面应力传递；但拉伸强度变化不大。当HH颗粒尺寸小于打印层厚时，3D打印制件冲击强度优于注塑件，但颗粒过大会影响熔体流动，导致喷嘴堵塞、孔隙率增加，降低打印制件力学性能。HH颗粒增大导致打印件表面粗糙度和孔隙率上升，XCT显示孔隙主要分布于层间结合处，影响层间粘附。

图2 注塑试样冷冻淬断表面形貌扫描电镜图: (a) PLA-HH-1(35μm), (b) PLA-HH-2(50μm), (c) PLA-HH-3(160μm)，复合材料（d）复数粘度, (e) 熔体流动速率和(f) 注塑(IM)与3D打印(FDM)试样冲击强度

图3 XCT断层扫描3D打印试样孔隙分布(俯视图): (a,d) PLA-HH-1, (b,e) PLA-HH-2, 和(c,f) PLA-HH-3

本研究首次系统揭示了HH颗粒尺寸对PLA/HH复合材料3D打印性能的影响规律，提出“颗粒尺寸-层厚匹配”优化策略。PLA/HH复合材料在低批量定制化场景（如家具、建筑、包装）中潜力显著，兼具环保性与成本优势。研究成果为开发高性能、可持续的3D打印材料提供了重要理论依据，有利于推动农业废弃物高值化利用，助力绿色制造与循环经济发展。相关成果以“Mechanical properties and microstructure of hemphurd reinforced polylactide biocomposites for 3Dprinting”为题，发表于《Polymer Composites》（中科院2区），全文开放获取，可通过DOI:10.1002/pc.28893获取。

作者简介

肖湘莲，湖南工学院，高级工程师。研究方向：生物降解材料；3D打印材料。

王浩，澳大利亚南昆士兰大学，教授。研究方向：复合材料、阻燃材料、低碳混凝土、CO2催化转化。

(图/文 肖湘莲 一审段付琴 二审 黄建平 三审 罗建新)