《Polymers》：The Impact of Coloring Additives on Thermal, Mechanical, and Tribological Properties of FDM-Printed Components
Nicoleta Bacescu,
Doina Frunzaverde,
Vasile Cojocaru,
Gerlinde Iuliana Rusu,
Raul-Rusalin Turiac,
Costel-Relu Ciubotariu and
Gabriela Marginean
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热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）熔喷非织造布因其弹性、透气性及皮肤相容性，在生物医学与工业领域的应用价值日益凸显。然而，其微观纤维网络结构与宏观性能之间的关联尚未得到充分阐释。本研究通过实验表征与有限元建模（FEM
热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）熔喷非织造布因其弹性、透气性及皮肤相容性，在生物医学与工业领域的应用价值日益凸显。然而，其微观纤维网络结构与宏观性能之间的关联尚未得到充分阐释。本研究通过实验表征与有限元建模（FEM），探究了纤维直径、孔隙率及面密度对TPU非织造布力学性能的影响机制。研究人员将TPU颗粒熔喷制备成具有可控结构差异的非织造布，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、拉伸测试及透气性测试对其性能进行系统分析。多元线性回归（Multiple Linear Regression, MLR）分析表明，面密度的增加主要提升拉伸强度（横向标准化回归系数β=0.764，纵向β=0.899），而纤维直径与孔隙率对横向与纵向断裂伸长率的影响存在差异。基于三维纤维网络的FEM模拟进一步验证了上述关系：孔隙率从85%增至92.5%时，拉伸应力降低超过50%；纤维直径从2μm增至14μm时，断裂伸长率下降约70%。该研究通过实验与计算相结合的方法，为优化TPU非织造布结构以满足伤口敷料等先进应用的特定性能需求提供了重要参考。
本研究针对热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）熔喷非织造布的结构-性能关系展开系统性探究，相关成果发表于《Polymers》。当前，非织造布在伤口敷料等领域应用广泛，TPU材料凭借其固有弹性、亲肤性及透气性成为高级伤口护理的首选，但在熔喷加工中，TPU因硬段/软段交替的化学结构及温度敏感性流变特性，纤维成型稳定性差，且微观纤维结构（如纤维直径、孔隙率）与宏观力学性能的关联尚未明确，限制了高性能TPU非织造布的理性设计。
研究人员首先表征TPU原料的化学、热及力学性能，通过调控熔喷工艺参数制备出具有不同纤维直径与孔隙率的非织造布，结合实验表征与统计建模分析结构-性能关联，并构建三维纤维网络有限元模型验证上述关系，最终为生物医学及工业领域的材料结构优化提供指导。
关键技术方法包括：采用傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR）分析TPU微相分离程度，差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）与热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）表征热性能；通过扫描电子显微镜（SEM）观察纤维形貌并计算直径与孔隙率，依据ISO标准测试面密度、拉伸性能及透气性；采用多元线性回归（MLR）建立结构参数与力学性能的定量关系；基于Python代码生成三维纤维网络几何模型，在ABAQUS软件中开展有限元分析，模拟不同结构参数下的拉伸力学响应。
研究结果如下：
3.1 TPU原料的物理性能
FTIR分析证实该TPU为聚酯型芳香族TPU，微相分离度为35%，其拉伸应力达26.7 MPa，弹性模量17 MPa，断裂伸长率734%；DSC显示熔点为159.4°C，结晶峰温71.6°C；TGA表明5%质量损失温度为326°C，热稳定性满足熔喷加工要求（最高加工温度约220°C）。
3.2 TPU非织造布的熔喷工艺
通过单螺杆挤出机熔融TPU颗粒，经3000个孔径0.3 mm的喷丝孔挤出，由250°C高温高速空气牵伸成超细纤维，沉积于旋转收集鼓形成三维纤维网络，工艺参数（气压、模头温度、收集距离）可调控纤维形态。
3.3 纤维网络结构与物理性能
熔喷非织造布的纤维直径范围为2~12μm，平均6.7μm，孔隙率87.2%~90.1%，面密度保持稳定；FTIR显示加工后TPU化学结构无显著变化，证明工艺稳定性。
3.4 纤维网络结构对力学性能的影响
MLR分析表明，面密度对拉伸强度的正向影响最显著（横向β=0.764，纵向β=0.899）；横向断裂伸长率受面密度与孔隙率主导，纵向断裂伸长率则主要受纤维直径影响（β=0.600），且面密度对纵向断裂伸长率呈负向影响（β=-0.152）。
3.5 TPU织物的有限元建模
构建包含约70万六面体单元的三维纤维网络模型，模拟结果显示：孔隙率从85%增至92.5%时，拉伸应力从0.47 MPa降至0.21 MPa，断裂伸长率保持在54%左右；纤维直径从2μm增至14μm时，断裂伸长率从66.2%降至20.3%，拉伸应力维持在0.31 MPa附近，与实验趋势一致。
讨论部分指出，TPU的微相分离结构是其高弹性的基础，而现有MLR分析受限于样本量小、线性假设简化及未考虑纤维取向分布等因素，需更大样本验证。相较于传统二维模型，本研究的三维有限元模型虽简化了纤维直径均一性、忽略了纤维间粘结，但成功捕捉到孔隙率与纤维直径对力学性能的调控规律，为结构-性能关系提供了机理验证。
结论表明，TPU的微相分离结构是实现高弹性与机械耐久性的关键；面密度是决定拉伸强度的核心因素，纤维直径与孔隙率分别对纵、横向断裂伸长率起主导作用；三维有限元模型可有效揭示纤维网络的力学响应机制。该研究通过实验与计算结合的策略，为定制化设计TPU非织造布的结构以满足医疗与工业应用的特定性能需求提供了实用指南。
