發(fā)表在《Discover Polymers》的一項研究顯示，研究人員通過向聚乳酸（PLA）基體中添加不同比例的質(zhì)量分數(shù)炭黑，成功制備了3D打印復(fù)合耗材。實驗表明，當炭黑添加量為2.5%時，復(fù)合材料的力學(xué)性能達到峰值，其楊氏模量為3.9 GPa，平均拉伸強度為39.46 MPa，與純聚乳酸的40.85 MPa相當。該研究為開發(fā)兼具可降解性與潛在導(dǎo)電性的3D打印纖維提供了工藝窗口與成分基準。

研究團隊選用玉米淀粉或甘蔗提取的半結(jié)晶熱塑性聚乳酸作為基體材料。該材料耐油脂、水分、酒精及紫外線，但存在斷裂伸長率低、抗沖擊性有限和耐熱性中等的短板。炭黑因其導(dǎo)電性、成本效益及能提升剛性、熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性的特性被選為填料。此前研究證實，添加1%至5%的炭黑可提高聚乳酸的結(jié)晶度、拉伸強度和耐熱性。除增強剛度外，團隊的目標還包括利用炭黑的導(dǎo)電性，探索其在可降解導(dǎo)電紡織品打印中的應(yīng)用價值。

樣品制備采用手動混合方式，將Ingeo 4043D聚乳酸顆粒（0.1–2.0 mm）與炭黑（粒徑約75 ± 2 nm，壓縮率50%）在不銹鋼容器中混合，隨后使用3Devo Precision 450單螺桿擠出機制成直徑1.75 ± 0.05 mm的耗材。擠出溫度是關(guān)鍵變量：低于190 °C會導(dǎo)致熔體堵塞噴嘴并產(chǎn)生不均勻耗材，高于260 °C則流速過快且易引發(fā)聚合物熱降解。Zui終確定純聚乳酸擠出溫度為190 °C，而1.5%、2.5%和3.5%復(fù)合材料的擠出溫度分別為250 °C、255 °C和260 °C。超過3.5%的添加量因無法通過研究中使用的0.4 mm噴嘴處理而被放棄。

拉伸試樣依據(jù)ASTM D638 Type 1標準，使用配備溫控腔體的Original Prusa MK4S打印機成型。純聚乳酸打印參數(shù)為噴嘴溫度190 °C、速度40 mm/s；復(fù)合材料需提高至240 °C和30 mm/s，以應(yīng)對炭黑帶來的熔體粘度增加和導(dǎo)熱性變化。所有試樣均在60 °C平臺、0.4 mm層高、45°網(wǎng)格填充及填充率下打印。每組五種樣本在Instron試驗機上進行測試，結(jié)果顯示力學(xué)性能呈非單調(diào)變化。1.5%添加量的復(fù)合材料在彈性模量、Zui大載荷和拉伸強度上表現(xiàn)Zui弱，作者歸因于低填料含量下炭黑分散不足且未達到形成有效增強網(wǎng)絡(luò)的滲流閾值。

在2.5%添加量下，模量達到3.9 GPa的峰值。作者認為這得益于分散改善及部分增強網(wǎng)絡(luò)的形成，該網(wǎng)絡(luò)限制了聚合物鏈運動并改善了載荷傳遞。值得注意的是，打印純聚乳酸的實測楊氏模量為2.9 GPa，低于原料顆粒數(shù)據(jù)表標稱的3.6 GPa，這與逐層打印工藝導(dǎo)致機械性能下降的已知現(xiàn)象一致。延展性方面，所有含炭黑樣品的斷裂應(yīng)變均低于純聚乳酸的0.84%，其中2.5%組Zui低（0.52%）。作者解釋，剛性填料阻礙了分子鏈對齊，加之層間孔隙和結(jié)合不良顆粒處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料變脆。隨著負載增加，復(fù)合材料變得更硬更脆，但由于打印孔隙率和擠出/打印過程中的分子量損失，整體未呈現(xiàn)隨質(zhì)量分數(shù)變化的清晰趨勢。

硬度測試結(jié)果更為直觀。按ISO 48-4標準使用Shore D硬度計測量，硬度隨炭黑含量比例上升。3.5%復(fù)合材料平均硬度Zui高（81.40 N），純聚乳酸Zui低（73.71 N），這歸因于基體內(nèi)填料表面積的增加。變異系數(shù)因成分而異：1.5%樣本的標準差明顯較高（2.3），研究人員將其與手動混合步驟導(dǎo)致的分散不均和局部團聚聯(lián)系起來。作者同時指出，硬度計讀數(shù)本身不能可靠預(yù)測強度、耐磨性或抗磨損性，不應(yīng)作為設(shè)計規(guī)范的唯一依據(jù)。

掃描電子顯微鏡（SEM）分析進一步揭示了微觀結(jié)構(gòu)背景。1.5%添加量的斷口表面顯示出與薄弱力學(xué)表現(xiàn)一致的拉伸裂紋、分層和孔隙，以及偏離載荷方向的纖維。純聚乳酸表面同樣并非無缺陷，纖維末端可見三角形中空空間，表明觀察到的缺陷不能完全歸咎于炭黑。在所有四種成分中均未檢測到顯著的微觀結(jié)構(gòu)差異，作者將此歸因于缺乏增塑劑或更復(fù)雜混合工藝時，在耗材制備階段難以實現(xiàn)炭黑均勻分布。

研究團隊坦承部分性能未達預(yù)期源于加工選擇。手動混合無法保證完全分散，他們引用文獻指出，精細的粒徑篩選和雙階擠出工藝可能足以改善均勻性，從而在不犧牲力學(xué)性能的前提下允許更高的炭黑負載。結(jié)論認為，2.5%是該體系的實用Zui優(yōu)值，在提供等同于純聚乳酸力學(xué)性能的同時，嵌入了純聚合物無法提供的導(dǎo)電功能價值。本研究的電導(dǎo)率和熱表征尚未測量，仍屬持續(xù)工作范疇。目前，該研究確立了針對印刷紡織品等應(yīng)用的生物降解、潛在導(dǎo)電耗材的加工窗口與成分基準。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-29。本文為資料編譯。