摘要：聚乳酸（PLA）作为一种生物可降解的可再生聚合物，在3D打印领域具有广阔应用前景，但纯PLA存在性能短板且环境影响有待优化。本文综述了软木、稻壳、咖啡渣、橡实等生物质增强PLA复合材料的制备工艺、性能表征及3D打印适用性，重点分析了生物质类型、添加量对复合材料形态结构、力学性能、热性能及打印质量的影响规律，揭示了稻壳作为最优生物质填料的核心优势，为环保型3D打印复合材料的研发与应用提供参考。

关键词：3D打印；聚乳酸；生物质复合材料；性能表征；可持续材料

一、研究背景与意义

塑料材料因轻质、廉价、耐用等特性，已广泛渗透到医疗、农业、建筑等现代社会各领域，全球年产量超4亿吨。然而，传统石油基塑料的难降解性导致了严重的环境问题，从深海到高山均存在塑料污染，推动可持续材料研发与循环解决方案成为全球共识。

聚乳酸（PLA）作为生物基聚合物的代表，具有生物可堆肥性，且源于玉米淀粉、甘蔗等可再生资源，在生物医学装置、包装材料、纺织纤维等领域应用广泛，是替代传统塑料的理想候选材料。在3D打印领域，熔融沉积成型（FDM）作为最常用的热塑性材料增材制造技术，具有无需昂贵模具、可快速制备复杂结构等优势，而PLA正是FDM工艺的常用材料之一。但纯PLA存在韧性不足、耐热性有限等缺陷，且单一聚合物材料的环境足迹仍需优化。为拓展PLA的应用范围、提升其可持续性，研究者们常通过添加填料来改性其物理、流变及光学性能，同时减少最终制品中的聚合物用量。生物质填料（如农业废弃物、工业残渣）因可再生性、环境友好性等特点，成为PLA复合材料的理想增强相，不仅能实现废弃物资源化利用，还能提升材料的可持续性。然而，生物质与聚合物的相容性、生物质添加对3D打印丝材性能的影响等问题仍需解决。基于此，该研究以软木、稻壳、咖啡渣、橡实四种生物质为增强相，通过熔融挤出工艺制备不同生物质含量（2.5%-20.0%）的PLA复合材料丝材，系统研究其形态、力学、热学及流变性能，并验证其3D打印适用性，为开发高性能、可持续的3D打印复合材料提供了重要的实验数据与技术支撑。

二、实验材料与制备工艺研究选用

INZEAF38型号PLA为基体材料，由Bio4Plas公司提供；生物质增强相包括软木、稻壳、咖啡渣（均为工业残渣）及橡实（采自当地森林），其中软木、稻壳、咖啡渣的粒径约为300μm，橡实经RestchSK1交叉锤式粉碎机粉碎后过500μm筛。复合材料制备过程中，先将PLA与不同比例（2.5%-20.0%）的生物质混合，采用3devo350Composer挤出机进行熔融挤出，挤出转速约为5rpm，温度曲线设定为180℃、190℃、185℃、170℃，制备得到可用于3D打印的复合材料丝材。3D打印阶段使用AnycubicChiron3D打印机，

采用TopSolidMisslerSoftware7th设计打印件草图（见图1），通过UltimakerCura软件预处理3D打印模型，打印参数设定为：层厚0.2mm，壁厚1.2mm，填充密度100%，打印温度200℃，打印平台温度60℃，打印速度60mm/s。

图1 TopSolidMisslerSoftware7th设计打印件草图

为全面分析生物质、复合材料丝材及3D打印制品的性能，研究采用多种表征手段：傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析材料化学结构与官能团相互作用；激光衍射粒度分析仪测定生物质颗粒尺寸分布；扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌；Brunauer-Emmett-Teller（BET）法计算复合材料比表面积；静态接触角（CA）测试评估表面亲疏水性；氦比重瓶法及质量-体积比分别测定生物质与丝材密度；万能试验机测试拉伸性能；熔体流动指数（MFI）测试仪评估流变性能；动态力学分析（DMA）研究粘弹性；差示扫描量热法（DSC）分析热转变温度；热重分析（TGA）评估热稳定性。

三、实验结果与分析

四种生物质均以木质纤维素为主要成分，FTIR光谱显示其在3700-3000cm⁻¹（O-H伸缩振动）、2850cm⁻¹（脂肪族C-H伸缩振动）、1730cm⁻¹（羰基酯C=O伸缩振动）等波段均有特征吸收峰，与PLA的酯基特征峰（1740cm⁻¹）和C-O伸缩振动峰（1100cm⁻¹）形成对比（见图2）。颗粒尺寸分布方面，稻壳的最丰粒径约为11μm，橡实约为88μm，软木与咖啡渣呈现多峰分布（见图3）。SEM观察显示，除稻壳外，其余生物质均具有多孔结构，软木呈现蜂窝状形貌，而稻壳颗粒尺寸更小且分布均匀（见图4）。比表面积与密度测试结果表明，稻壳的比表面积（4.3750m²·g⁻¹）和密度（1.6776g·cm⁻³）均为最高，软木和咖啡渣密度较低，与其多孔结构相关。热重分析显示，四种生物质的热降解曲线相似，均经历水分蒸发、半纤维素和纤维素分解、木栓质和木质素分解三个阶段，500℃后质量损失趋于稳定，热稳定性良好，适用于制备耐用复合材料。