DOI: 10.1016/j.addma.2021.102030

近年来，在聚合物熔体中加入纳米材料以改善3D打印产品的力学性能得到了广泛的研究。但由于添加剂的分散性差以及所得高粘度材料加工困难，这方面的研究仍然具有挑战性。在本文中，作者提出了一种新型制备工艺来增强3D打印结构的力学性能，同时也克服了上述问题。这是一种基于FFF 3D打印并采用纳米纤维交织技术的方法。聚（丙交酯）（PLA）分别用于通过静电纺丝制备纳米纤维以及通过挤出制备3D打印纤维。在印刷过程中，将纳米纤维垫（交织）放置在两个印刷层之间。系统地研究了层间界面处纳米纤维的形态。结果表明，喷嘴温度是影响纳米纤维交织层与印刷层之间附着力的重要参数。通过改变纳米纤维含量，研究其对纳米复合材料力学性能的影响。随着纳米纤维的加入，纳米复合材料的储能模量和拉伸强度均得以改善。

图1.（a）由原材料制备3D打印纳米复合材料的过程；（b）将纳米纤维垫与印刷基质相结合的详细步骤。

图2.（a）用于双缺口剪切试验的试样的几何形状，（b）半基体和纳米纤维垫，（c）双缺口试样。

图3.（a）3D打印纳米复合材料的微观结构；不同样品撑杆区域的纳米纤维形态：（b）NC-1A（210℃）,（c）NC-1B/3A（220℃）,（d）NC-1C（230℃）,（e）NC-2A（40℃），（f）NC-2B（50℃），（g）NC-2C/3B（60℃），（h）NC-3C（120％）；（i）NC-1A间隙区域的纳米纤维形态。

图4.横截面SEM图像：（a）打印的PLA，（b）含纳米纤维交织层的打印纳米复合材料。

图5.NC1失效表面的光学图像（a）和不同放大倍数下局部失效的SEM图像：（b）30,（c）2000,（d）1000。

图6.PLA颗粒、纤维、纳米纤维和打印的纳米复合材料的FTIR光谱：（a）全光谱；（b）3000-4000cm-1区域的细节。

图7.（a）整个样品打印过程中温度随时间的变化；（b）符合牛顿冷却定律的拟合曲线；（c）打印后，从喷嘴温度到PLA玻璃化转变温度（60℃）的外推冷却曲线。插图显示了印刷过程的红外图像；（d）不同喷嘴温度下所制备样品的DSC曲线。

图8.（a）不同纳米纤维含量的纳米复合材料的DSC曲线；（b）纳米复合材料的结晶度与纳米纤维含量的函数关系；（c）不同纳米纤维含量的纳米复合材料的储能模量曲线；（d）不同纳米纤维含量的纳米复合材料的光学图像。