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随着社会对环境保护与资源节约的迫切需求,采用来源广泛的生物质材料替代不可再生资源用以开发新型生物质复合材料,符合全球经济可持续发展的新趋势。另一方面,3D打印作为制造领域的一项创新技术,在个性化及特殊复杂制品的制造方面具有独特的优势,它的出现为多元化以及高质化利用生物质材料提供了新的机遇。聚乳酸（PLA）是一种环境友好型生物质高分子材料,具有良好的生物相容性和可加工性,由于在成型时收缩率低且不易翘曲,已经成为一种重要的熔融沉积成型（FDM）3D打印耗材。本论文针对有效利用生物质资源和开发新型3D打印PLA材料过程中的关键问题,采用甘蔗渣纤维、纤维素纳米晶-有机蒙脱土杂化纳米粒子对PLA进行改性,系统研究了PLA生物质复合材料的制备、结构和性能与FDM 3D打印工艺之间的关系;同时,将PLA与生物可降解高分子材料聚己内酯（PCL）进行物理共混,通过FDM制备了具备热响应形状记忆效应的功能化制品;在此基础上,对PLA/PCL共混物基体进行适当的改性,并在共混物中加入杂化纳米粒子,深入考察了PLA/PCL纳米复合材料的结构与性能。甘蔗渣既是榨糖产业的副产品,也是一种天然植物纤维。本论文首先采用氢氧化钠（Na OH）溶液和亚氯酸钠（Na Cl O2）/冰乙酸混合溶液对甘蔗渣（RSCB）进行连续的化学处理,从中提取得到甘蔗渣纤维（SCBF）,并对化学处理前后甘蔗渣的理化性质进行了表征。结果表明,RSCB的纤维素含量仅为45.7%,而SCBF的高达88.5%。与RSCB相比,SCBF呈现出明显的纤维状形貌结构,并具有较好的热稳定性。通过FDM 3D打印技术系统地研究了SCBF/PLA复合材料的微观形貌、力学性能、结晶性能和热稳定性能。结果表明,与RSCB/PLA复合材料相比,SCBF/PLA复合材料的力学性能得到提升。由于纤维填料的取向效果,SCBF/PLA复合材料的拉伸强度和弯曲强度的变化规律表现不一样。当SCBF含量为6wt%时,复合材料的拉伸强度较优;而弯曲强度却随着填料含量的增加而不断减小。通过修改拉伸试样3D模型的G代码,进一步探讨了不同打印方式对SCBF/PLA复合材料拉伸性能的影响。结果表明,除“垂直法（Vertical）”外,通过其它三种打印方式“默认法（Default）”、“交叉法（Cross）”和“平行法（Parallel）”制备3D打印试样的最佳SCBF用量均为6wt%。由于纤维填料和PLA分子链在3D打印试样中的取向程度与其填充方式（光栅角度）有关,采用“Parallel”方式打印的完全取向的拉伸试样具有较高的拉伸强度。此外,RSCB和SCBF具有足够高的热分解温度,均可以满足PLA复合材料熔融挤出加工的要求,并且SCBF可以明显促进PLA的结晶。采用硫酸水解法从针叶木浆中提取纤维素纳米晶（CNC）,并通过十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对蒙脱土（MMT）进行改性得到有机蒙脱土（OMMT）,利用静电自组装构建了一种新型的CNC-OMMT杂化纳米材料。微观形貌表明一维针状CNC吸附在二维片状OMMT的表面,从而构成了多维杂化纳米粒子。在杂化纳米粒子中,CNC和OMMT仍然保持着原本的化学结构,并且杂化纳米粒子的尺寸是由CNC和OMMT的初始尺寸所控制的。红外表征分析和Zeta电位结果表明CNC与OMMT之间不仅存在氢键作用,而且存在较强的静电吸附作用,并且杂化纳米粒子的水分散行为受静电相互作用的影响。基于CNC与OMMT之间氢键与静电吸附的双重作用,OMMT的纳米片层结构可以有效屏蔽CNC表面的硫酸盐基团,并对CNC的热分解行为起到延缓效果,从而显著提高了其热稳定性。进一步地,通过FDM 3D打印技术系统地分析了CNC、OMMT和CNC-OMMT三种纳米填料对PLA复合材料的微观形貌、力学性能、结晶性能和热稳定性能的影响,并结合纳米复合材料的等温熔融结晶动力学探究了不同打印平台温度下制备3D打印试样的耐热性能。研究结果表明,CNC-OMMT在增强PLA纳米复合材料的力学性能上起到协同改性的效果。杂化纳米粒子在PLA基体中的分散性不仅得到明显改善,而且不会对聚合物基体造成孔洞缺陷。在结晶性能方面,多维杂化纳米粒子可以作为成核助剂在结晶温度范围内大幅度提升PLA的结晶速率。根据等温熔融结晶动力学可知,PLA纳米复合材料在不同打印平台温度下的结晶速率不同,从而表现出不一样的耐热性能。由于在120℃下的结晶速率较快以及形成晶体结构更加有序的α晶型,在此温度下制备的3D打印试样具备较高的维卡软化温度（VST）。通过在3D打印的基础上引入第四维度——时间,3D打印制品的形状可以随着时间的推移而发生改变以实现4D打印,从而能够满足功能性3D打印的需求。采用拉伸模式下的应力控制动态力学分析对不同质量配比的3D打印PLA/PCL共混物的热响应形状记忆性能进行了系统地研究,并结合PLA/PCL共混物的结晶-熔融行为、动态力学性能和微观形貌详细阐明了形状记忆效应（SME）机理。结果表明,3D打印PLA/PCL共混物的形状固定性能都很优异,这是由于可逆相PCL能够迅速结晶使得临时形状得以及时固定;而它们的形状回复性能主要受两相界面间物理交联作用的影响,随着PCL含量的上升,界面物理交联作用限制PCL相产生不可逆滑移的能力逐渐减弱,导致形状回复性能下降。此外,由于固定相PLA的玻璃化转变会对形状回复产生不利影响,形状记忆测试过程中所使用的变形温度（Td）应低于PLA的玻璃化转变温度。3D打印参数的正交实验结果表明,层厚和光栅角度对PLA/PCL共混物的形状回复性能有较大的影响,而填充密度的影响很小。通过优化FDM成型过程中所使用的3D打印参数可以实现对3D打印制品SME的调控。采用光栅角度为45°/-45°、填充密度为80%和层厚为0.05mm制备的3D打印制品在65℃的Td下表现出良好的热响应SME。为了进一步提高PLA/PCL共混物的热-机械循环性能、强度和模量,首先对共混物基体进行适当的改性。采用六亚甲基二异氰酸酯（HDI）对聚己内酯二元醇（PCL-diol）进行异氰酸酯基（-NCO）封端改性得到PCL-NCO,通过FDM 3D打印研究了PCL-NCO对PLA/PCL共混物循环形状记忆性能的影响。结果表明,PCL-NCO可以改善PLA/PCL共混物的界面相互作用。当加入4%的PCL-NCO时,PLA/PCL共混物在三次热-机械循环中表现出较好的循环形状记忆性能。在此基础上,利用FDM技术考察了杂化纳米粒子对PLA/PCL纳米复合材料结构与性能的影响。结果表明,当杂化纳米粒子的用量小于1%时,并不会对PLA/PCL纳米复合材料的循环形状记忆性能产生明显的影响,它主要受共混物基体本身的热响应所影响。此外,杂化纳米粒子对PLA/PCL纳米复合材料的储能模量有增强效应,并且在不到1%的低含量情况下,即保留了原有的循环形状记忆性能的前提下,杂化纳米粒子也可以有效改善复合材料的力学性能。