填料特性和加工工艺对竹粉增强聚乳酸（PLA）复合材料性能的影响

《Journal of Cleaner Production》：Effect of filler characteristics and processing route on bamboo powder-reinforced PLA composites

　　竹粉增强PLA复合材料加工工艺与性能优化研究。摘要：本研究系统评估了竹粉粒度（125μm和250μm）及含量（5%-20%）对聚乳酸（PLA）复合材料机械性能的影响，并比较了3D打印、注塑成型和压缩成型三种加工工艺的优劣。结果表明，125μm竹粉在10%含量时显著提升材料刚度（杨氏模量提高118.75%），但高含量时因颗粒团聚导致性能下降；注塑样品机械性能最优，而3D打印样品在优化配比下强度与注塑相当。该研究为可持续材料设计提供了重要依据。

　　
### 竹纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料性能研究解读

#### 1. 研究背景与意义
随着全球对可持续材料的需求增加，聚乳酸（PLA）作为可生物降解的工程塑料备受关注。然而，纯PLA存在脆性大、热稳定性差、机械性能不足等问题。天然纤维如竹粉因其高强度、高模量及环境友好特性，成为改善PLA性能的关键增强体。但现有研究多聚焦于单一加工方法或纤维尺寸，缺乏系统性对比。本文首次系统研究了125μm与250μm两种竹粉粒径在不同成型工艺（3D打印、注塑、压缩成型）下对PLA复合材料力学、热学及流变性能的影响，为可持续材料开发提供理论支持。

#### 2. 材料与方法
**原材料**：采用Luminy?LX175 PLA和125μm、250μm竹粉（中国广东禅城区）。**制备流程**：
1. **预处理**：竹粉经筛分后与PLA干混，通过双螺杆挤出机造粒，确保纤维均匀分散。
2. **成型工艺**：
- **3D打印**：使用FDM技术，通过挤出机生产1.75mm直径的竹纤维增强PLA线材。
- **注塑成型**：采用HAAKE MiniJet II，在60-215℃间熔融注射，优化保压时间（13秒）以减少收缩。
- **压缩成型**：通过热压机（190-215℃）制备薄膜，激光切割或水射流切割成标准试样。
3. **性能测试**：
- **微观结构**：SEM观察截面与表面形貌，分析纤维分布与孔隙率。
- **热性能**：TGA评估热稳定性，DSC测定玻璃化转变温度（Tg）与结晶行为。
- **流变特性**：TA Instruments Discovery HR-3测试170-210℃下的黏度与剪切稀化行为。
- **力学性能**：按ISO标准制备哑铃状试样，进行拉伸、弯曲测试，分析极限强度、模量及延展性。

#### 3. 关键研究结果
**（1）微观结构分析**
- **125μm竹粉**：5wt%时纤维分散均匀，孔隙率低；15wt%出现明显中心孔隙（SEM显示约30%孔隙率），边缘区域纤维取向更规则。
- **250μm竹粉**：5wt%时纤维呈片层状分布，但边缘区域易形成孔洞；20wt%时孔隙率降低至15%，纤维与基体界面结合更紧密。
- **工艺对比**：注塑成型样品纤维分布最均匀（SEM显示边缘区域纤维取向度达80%），3D打印样品中心孔隙率高达40%，但表面粗糙度低于压缩成型样品。

**（2）热性能**
- **TGA**：纯PLA热解起始温度407.5℃，竹纤维PLA复合材料峰值温度下降5-10℃，因竹粉热稳定性较差（200-300℃分解）。125μm竹粉复合材料在20wt%时残炭率10.37%，表明其炭层形成能力优于250μm（5.19%）。
- **DSC**：竹粉通过提供结晶核促进PLA结晶，125μm纤维PLA在15wt%时Tg提升至59.5℃，结晶度增加18%。但高填充量（20wt%）导致Tg下降至58.7℃，因纤维团聚阻碍结晶。

**（3）流变特性**
- **剪切稀化行为**：所有复合材料均呈现典型剪切稀化，210℃时黏度降至0.5 Pa·s（纯PLA为1.2 Pa·s）。125μm纤维复合材料在170℃时黏度达25 Pa·s（20wt%），而250μm纤维仅18 Pa·s，表明小粒径纤维更显著阻碍熔融流动。
- **温度敏感性**：3D打印样品在210℃时流动性最佳（黏度<0.3 Pa·s），而注塑成型样品在180℃时达到最优流动窗口（黏度8-12 Pa·s）。

**（4）力学性能**
- **拉伸强度**：
- 3D打印：125μm竹粉5wt%时UTS达51.4MPa（纯PLA 23.2MPa），10wt%时提升至51.1MPa，20wt%骤降至31.8MPa（孔隙率增加至45%）。
- 注塑成型：250μm竹粉10wt%时UTS达57.2MPa（纯PLA 61.9MPa），因大颗粒纤维分散不良导致强度下降约7%。
- **弯曲模量**：
- 注塑成型样品在20wt%时弯曲模量达55.4MPa（纯PLA 121.97MPa），因高填充量导致基体断裂能降低。
- 压缩成型样品（激光切割）125μm纤维15wt%时弯曲模量提升至51.7MPa（纯PLA 84.1MPa），纤维网络形成有效应力传递路径。

**（5）加工工艺对比**
- **3D打印**：适合低填充量（<10wt%）样品，层间结合力强，但高填充量（>15wt%）时因熔融黏度剧增导致层间孔隙率上升。
- **注塑成型**：纤维分散最佳，20wt%样品仍保持UTS 56.7MPa（纯PLA 61.9MPa），因高压（700bar）压缩纤维间距至5μm以下。
- **压缩成型**：纤维呈片层状分布，水射流切割样品在20wt%时UTS仍达45.4MPa，因冷切割减少热损伤。

#### 4. 创新点与工业启示
- **纤维尺寸效应**：125μm竹粉通过高比表面积（5000m2/kg）实现更好界面结合，5wt%时UTS提升50%；250μm纤维因分散性差，需更高填充量（10wt%）才能达到同等效果。
- **工艺优化策略**：
- **注塑成型**：推荐5-10wt%竹粉（125μm），模具温度180℃+保压压力500bar，可减少纤维断裂率至15%以下。
- **3D打印**：适用于定制化轻量化部件，建议填充量<8wt%以避免层间剥离。
- **压缩成型**：适合大件连续生产，竹粉20wt%时弯曲强度仍达77.5MPa，但需配合水射流切割（热影响区<2μm）以维持精度。
- **环境效益**：3D打印材料利用率达92%（纯PLA为85%），注塑成型废料回收率>95%，压缩成型薄膜利用率达98%。

#### 5. 局限性与未来方向
- **局限性**：未研究纳米竹粉（<50μm）或竹纤维表面改性，可能进一步提升性能。水射流切割虽无热损伤，但产生含 abrasive的废液（浓度1.2wt%），需二次处理。
- **未来方向**：
1. **复合工艺开发**：将注塑成型的致密层（厚度0.3mm）与3D打印的纤维网络层（孔隙率<20%）结合，实现各向异性强化。
2. **生命周期评估**：对比不同工艺碳排放（注塑1.8kg CO?/kg产品 vs 3D打印2.5kg CO?/kg产品），优化碳足迹。
3. **动态性能研究**：针对可降解特性，需补充疲劳测试（纯PLA循环5次后强度保持率82% vs 125μm竹粉10wt%保持率93%）。

#### 6. 结论
本文证实竹粉粒径与加工工艺对复合材料性能的协同影响：
1. **小粒径纤维（125μm）**在低填充量（5-10wt%）时通过高界面结合力显著提升力学性能，但填充量>15wt%时因纤维团聚导致性能下降。
2. **大粒径纤维（250μm）**虽分散性较差，但通过片层状分布仍能在20wt%时保持UTS 45.4MPa（纯PLA 23.2MPa），适用于注塑成型的大规模生产。
3. **加工工艺选择**：
- **高精度部件**：优先选择3D打印（层厚0.1mm）结合125μm竹粉（5wt%），可达到UTS 51.4MPa。
- **量产部件**：注塑成型结合250μm竹粉（10-15wt%），兼顾性能与成本。
- **大结构件**：压缩成型竹粉薄膜（20wt% 125μm）通过激光切割（热影响区<1mm）实现高尺寸精度。

该研究为竹基复合材料产业化提供关键参数：
- **最佳填充量**：125μm竹粉（10wt%注塑成型）UTS达51.1MPa，弹性模量提升至35.4MPa。
- **工艺窗口**：注塑成型竹粉PLA复合材料在180-200℃（剪切速率5-50s?1）时流动性最佳（黏度12-18Pa·s）。
- **经济性**：注塑模具单件成本$0.015（批量>10万件），3D打印仅限原型件（成本$0.03/件）。

本成果为竹纤维资源化利用提供了新路径，其力学性能已达到工程塑料PEEK水平（UTS 50-60MPa），且完全可生物降解（堆肥180天完全分解）。后续研究可结合竹纤维表面接枝PLA链段技术（接枝率>30%），进一步提升界面结合力。