《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Mechanical and Thermal Performance of Sustainable PETG/Cork Composites Processed by Fused Filament Fabrication Technology
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尽管熔丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF）聚合物复合材料已取得重大进展，但基于生物资源设计环境可持续材料仍是关键研究重点。本研究旨在考察FFF技术加工的可持续聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（Polyethyle
尽管熔丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF）聚合物复合材料已取得重大进展，但基于生物资源设计环境可持续材料仍是关键研究重点。本研究旨在考察FFF技术加工的可持续聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（Polyethylene Terephthalate Glycol-modified, PETG）/软木（Cork）复合材料的可加工性与性能。采用双螺杆挤出机制备含5 wt.%和10 wt.%软木的线材，经FFF打印试样并进行形貌、热学及力学性能测试。研究结果表明，与线材本身的拉伸测试相反，3D打印过程中拉伸强度并未随软木含量增加而下降；添加10 wt.%软木颗粒在提高塑性的同时未降低拉伸强度。所制备复合材料的层间界面温度与纯PETG基体差异不大，分别为79.55 °C（PETG）、77.56 °C（PETG + 5%软木）和76.67 °C（PETG + 10%软木）。热导率随软木比例增加显著降低。本研究表明，FFF技术是制备低导热率且力学与热学性能等同于纯PETG的PETG + 10%软木复合材料最适宜的成型工艺之一。
本文解读的论文《Mechanical and Thermal Performance of Sustainable PETG/Cork Composites Processed by Fused Filament Fabrication Technology》发表于《Journal of Manufacturing and Materials Processing》。
研究背景方面，熔融沉积成型（Fused Filament Fabrication, FFF，亦称Material Extrusion, MEX）是增材制造中最普及的技术，要求材料具备适宜熔体流变特性、热稳定性及层间扩散能力以形成强层间结合。聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（Polyethylene Terephthalate Glycol-modified, PETG）因其无定形、低结晶倾向及良好加工性成为FFF主流工程材料，但传统纯聚合物难以满足可持续发展需求。以农业或工业废弃物如软木（Cork）粉尘——栎树皮加工副产物——作为生物基填料引入热塑性基体，可实现循环经济并赋予材料隔热、轻质等新功能。然而，未经表面改性的软木颗粒与PETG相容性差，且关于未预处理软木/PETG复合材料FFF工艺的研究有限。为此，研究人员开展本研究，探究未改性软木粉末填充PETG复合材料通过FFF加工的可行性、微观结构演变及力学—热学综合性能，验证FFF二次热机械历程对复合材料性能的补偿作用。
主要关键技术方法：研究人员选用商用PETG粒料与西班牙软木加工业副产物软木微粉（粒径63–125 μm，60 °C烘干24 h），按0、5 wt.%、10 wt.%配比；先双螺杆密炼（240 °C，50 rpm，12 min）制复合粒料，再经五区温控双螺杆挤出机（210–235 °C梯度）挤出的直径约1.6 mm复合线材；使用Raise3D Pro2打印机按ISO 527-2Type 1BA制作100%填充狗骨拉伸样件（喷嘴230 °C，热床50 °C，层高0.2 mm），同期挤出原线材做对比拉伸；对打印件与线材分别进行单轴拉伸（ISO 527-1/ASTM D638，Shimadzu AG-X）、差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC，TA Q20，ISO 11357-1，二次升温至400 °C）、激光热导仪（LaserComp FOX200，ISO 22007-1）测热导率，以及数码光学显微镜与场发射扫描电镜（Field-Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM，Nova NanoSEM 450）观察断口形貌；采用单因素方差分析（ANOVA）与Tukey HSD进行统计学检验，并用Ansys Granta EduPack颗粒复合材料模型（混合法则Rule of Mixtures）模拟理论性能。
研究结果如下：
3.1. Mechanical Properties（力学性能）
对挤出线材与FFF打印件的拉伸测试表明：线材随软木增至10 wt.%拉伸强度由37.4 MPa降至10.2 MPa、杨氏模量降约37%，证实未处理软木与PETG界面相容差起应力集中作用；而FFF打印件纯PETG因无商业助剂导致层间微孔强度偏低（8.7 MPa），但加10 wt.%软木后拉伸强度（9.9 MPa）与纯PETG打印件无统计学显著差异（p > 0.05），杨氏模量显著降低（p < 0.05），最大应力处断裂伸长率显著升高（p < 0.05），10 wt.%组延展性最优。研究人员认为FFF二次加热剪切促进PETG链断裂生成短链增多分子 mobility，且软木富含羟基(–OH)与PETG热氧化生成的羧基末端形成氢键，中和界面不相容；软木细胞蜂窝结构还可阻断裂纹扩展，使打印件韧性增强。
3.2. Differential Scanning Calorimetry (DSC)（差示扫描量热分析）
二次升温DSC曲线只出现玻璃化转变温度(Tg)，无结晶/熔融峰，确认PETG基体高度无定形。Tg随软木量增加轻微下降（纯PETG 79.55 °C，5% 77.56 °C，10% 76.67 °C），说明软木中低分子量木栓质等成分起微增塑作用，增大PETG链段自由体积与运动能力，不影响FFF所需熔体流动性。
3.3. Thermal Conductivity（热导率）
纯PETG打印件热导率（约0.053–0.059 W/m·K）低于注塑本体值，归因于FFF孔隙含气隔热；掺软木后热导率随填料比进一步明显下降，趋近软木本身（< 0.1 W/m·K）。两相互不相容导致高界面热阻阻碍声子(phonon)传输，且高黏度PETG熔体未渗入软木细胞腔，保留了软木天然闭孔隔热结构，实现力学承裁与隔热功能解耦。
3.4. Morphological and Microstructural Analysis（形貌与显微结构分析）
光学显微镜与FE-SEM显示：纯PETG打印断面呈典型柱状挤出束(columar bead structure)及层界；5%软木开始层界模糊并出现数微米界周微孔；10%软木组完全消除可见层界，转为均匀高度多孔连续体，孔内最大尺寸可达224 μm但仍保留软木肺泡(alveolar)结构。表明适量软木延长沉积熔体高于Tg的保温时间，促进层间融合，抵消了部分黏度上升带来的负面效应。
3.5. Material Property Simulation（材料性能模拟）
混合法则预测的杨氏模量与5%软木拉伸强度与实验值吻合，但10%软木实测拉伸强度略超理论上限，佐证FFF过程优化了层间结合；热导率则远低于混合法则预测，再次说明复合体系热—力学性能不能用单一模型描述，需考虑填料多孔结构未被浸润的特殊情况。
讨论与结论总结：本研究证明FFF工艺作为关键二次热机械循环可改变PETG/未处理软木复合材料行为——线材因界面差严重弱化，但打印件在10 wt.%软木下拉伸强度不降反略升、塑性显著提升，归因于FFF诱导PETG链降解短链化、增强分子迁移及PETG–软木间氢键作用；微观上软木使FFF典型柱状体结构过渡为多孔连续体，减少层间不连续缺陷；软木掺入大幅降低热导率接近原软木值，复合材料兼具聚合物承载与填料隔热双重优势；混合法则可预测刚度但无法预测热导率，揭示该体系热—力解耦特征。PETG + 10 wt.%软木复合材料适合需低热导与一定韧性的功能性FFF应用（如家具、船舶与航空航天内饰隔热件），实现了工业软木残渣的高值化利用。未来将研究不同打印取向(YZ)样品性能、润湿性及熔融颗粒制造(Fused Granular Fabrication, FGF)大型增材制造适用性。
