3D打印亚麻纤维生物复合材料在结构应用中的前景

在“用于结构应用的连续亚麻纤维增强生物复合材料的3D打印”的研究中，作者A Le Duigou，A。Barbé，E。Guillou和M. Castro等人对在PLA等长丝的3D打印中使用亚麻等天然材料越来越感兴趣。

研究人员以FDM 3D打印为研究对象，通过加入连续亚麻纤维/聚乳酸（CFF/PLA）复合长丝，制备出力学性能最佳的生物复合材料。他们创造了一种定制的挤出技术，用于复合材料，作者称，该技术“证明了纱线在横截面内的均匀分布，而扭曲的亚麻纱则导致中尺度的富纤维区域。”研究小组对用亚麻制造一种新的复合材料很感兴趣，因为它的力学性能“很有前途”-通常很难找到所需的所有合适的品质。他们解释说，许多生物复合材料今天很受欢迎，但在使用许多不同的天然纤维时，其力学性能仍然不太合适。

研究人员说：“CFF/PLA的拉伸模量和强度值超过了目前唯一公布的连续天然纤维打印复合材料的拉伸模量和强度值的4.5倍以上。”“拉伸性能与连续玻璃纤维/聚酰胺(PA)打印复合材料的拉伸性能相同，为生物复合材料在结构应用中的应用铺平了道路。其最弱之处在于其横向性能仍比类似的亚麻/PLA热压缩复合材料差。”

其他纤维复合材料如玻璃、碳和芳纶也正在研究中，以提高3D打印性能，因为材料被“浸渍”以产生更好的结构。使用现场定制的Prusa i3 3D打印机，一个控制风扇旋转的Arduino卡，以及Simplify 3D软件，研究人员创建了一些可以进行评估的样本，并与之前的研究结果进行了比较。

生产连续亚麻/PLA长丝的挤出工艺参数

作为一种纱线，亚麻是纺织品应用中复合材料的明显选择——可以提高织造强度。然而，作者指出，在“扭曲的结构”中观察到纤维束，影响了孔隙率和整体微观结构。“此外，亚麻纱线显示出与长丝中心的偏差，这似乎是由于共挤出头造成的。实际上，在共挤出过程中，聚合物流向垂直于亚麻纱，这导致其定位在长丝的边缘。”作者说。

“试验结果表明，长丝内纤维体积含量超过35％，导致难以获得高质量的打印样品。因此，在目前的工作中，所开发的cFF/PLA长丝含有较低的体积分数，为30.4±0.8％（wf≈34.5％），这接近商用高性能碳/聚酰胺长丝。印花长丝不影响纤维含量，因此cFF/PLA生物复合材料的纤维含量与长丝相似。”
与以下方面相比，纵向性能得到改善：
·纯PLA（刚度为×7，强度为×4.5）
·不连续天然纤维增强3D打印生物复合材料（刚度为×11，强度为×10）
·连续黄麻/PLA打印生物复合材料的可用数据（刚度为×4.5，强度为×4.5）
 研究人员认为，这些特性可以通过亚麻固有的更高机械性能，更高的纤维纱线高宽比，以及更好的纤维含量和整体均匀性来解释。

“非线性拉伸行为是天然纤维单向复合材料的典型特征，其性能与热压缩，VARTM和AFP制造的长亚麻纤维复合材料以及商业3D打印机生产的连续玻璃/ PA复合材料相媲美。如此高的测量性能为结构应用开辟了3D打印生物复合材料，“研究人员总结道。“cFF/PLA打印复合材料的最弱之处是它们的横向性能仍然低于类似的亚麻/ PLA热压缩复合材料。在拉伸试验中观察到的损伤机理与在长丝展开的连续合成纤维/聚合物打印复合材料中观察到的相似。

（a）连续亚麻纤维/ PLA（cFF/PLA）长丝的微观结构；（b）未经测试的cFF/PLA样品横截面的SEM显微照片；（c）横向打印的cFF/PLA（90°）；（d）cFF/PLA纵向打印（0°）。面板d的细节显示（e）环重叠和（f）规则环。       在过去几年中，与3D打印相关的材料科学已经取得了长足的进步。虽然桌面机用户的普及程度不断提高，研究人员和工业制造商继续使用像PLA这样的灯丝，但现在正在用各种其他材料如石墨烯、连续纤维甚至木材来制造复合材料。
（a）纵向；（b）cFF/PLA打印部件的横向断裂的宏观图像；（c）cFF/PLA打印部件的纵向横向断裂；（d）cFF/PLA打印部件的横向断裂的SEM显微照片。白色箭头证明纤维束剥离和基质失效。