一步法挤出制备可再生聚乳酸/热塑性淀粉复合3D打印线材的创新策略及其性能研究

推荐：本研究针对传统两步法制备PLA/TPS复合线材能耗高、效率低的问题，开发了一步法挤出策略，通过甘油同步实现淀粉塑化和PLA/TPS复合。所得线材冷结晶温度显著降低至104-110°C，熔体流动指数提升至20.7 g/10 min，水接触角降低约20°，实现了低成本、高效率的可再生3D打印材料制备。

在追求可持续发展的全球背景下，生物基可降解材料成为替代石油基塑料的重要选择。聚乳酸(PLA)作为一种源自玉米、水稻等作物的生物塑料，虽具有生物相容性和可降解性优势，但其高成本和脆性限制了广泛应用。与此同时，热塑性淀粉(TPS)作为从木薯、玉米等农作物中提取的天然多糖衍生物，因其可再生性和低成本特性备受关注。传统PLA/TPS复合材料制备需经历淀粉塑化和聚合物共混两个独立步骤，不仅能耗高，且生产效率低下。更关键的是，现有研究尚未解决3D打印线材一步法制备的技术难题，这严重制约了这类环保材料在快速发展的增材制造领域的应用。

针对这一技术瓶颈，中国的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表了创新性研究成果。研究人员采用单螺杆挤出系统，通过精确控制甘油添加量（3%-10%），同步实现了淀粉原位塑化和PLA/TPS复合。关键技术包括熔体流动指数(MFI)测试评估加工性能，差示扫描量热法(DSC)分析冷结晶行为，扫描电镜(SEM)观察微观形貌，以及接触角测量表征亲水性。特别设计了拉伸/压缩测试样品和蜂窝状支架的3D打印实验，并创新性地采用盐酸选择性蚀刻和荧光染色技术进行材料表征。

研究结果部分，3.1节"复合线材表征"显示：随着TPS含量从0%增至10%，透光率从46.7%骤降至1.2%，SEM观察到5-15μm的淀粉衍生孔隙；FTIR在3321 cm^-1出现羟基特征峰，证实甘油成功塑化；DSC检测到冷结晶温度从128°C显著降至104-110°C；MFI提升至20.7 g/10 min，水接触角降低约20°。3.2节"打印样品表征"发现：打印后样品界面结合增强，椭圆状孔隙长轴达15-20μm；含10% TPS的蜂窝支架具有58%孔隙率和16.3 MPa压缩强度，满足松质骨替代要求；荧光染色实验证实材料具备防伪功能开发潜力。

讨论部分强调，这种一步法策略将能耗降低50%以上，生产效率提高约40%。特别值得注意的是，甘油的双重功能（淀粉塑化剂和PLA增塑剂）是技术突破的关键——当添加量为淀粉质量的100%时，既能完全破坏淀粉晶体结构（XRD证实15.2°和18.5°特征峰消失），又使PLA分子链运动能力提升。虽然拉伸强度从49.5 MPa降至38.6 MPa，但断裂功提高26%，在保持足够机械性能（仍高于HDPE）的同时获得了更好的韧性。研究还发现，打印过程中的剪切流动使TPS沿打印方向取向，这种自增强效应显著改善了层间结合强度。

该研究为农业淀粉的高值化利用开辟了新途径，特别对促进循环经济发展具有重要意义。通过简化工艺流程、降低生产成本，使生物基3D打印材料的大规模商业化应用成为可能。未来研究可进一步探索不同淀粉来源（如高直链玉米淀粉）对界面性能的影响，并开展全生命周期评估以验证其环境效益。这种创新的一步法策略不仅适用于PLA/TPS体系，还可拓展到其他生物基复合材料制备，为绿色制造提供了普适性技术方案。