弗賴堡大學(UCF)森林生物材料系的研究人員開發了一種新型的環保型木質3D打印材料。

由UCF教授瑪麗·皮埃爾·勞伯(Marie-Pierre Laborie)領導的研究小組將木質素(一種能為植物細胞壁提供強度的化學物質)與纖維素球結合在一起，從而創造出一種新型的生物合成聚合物。由于Lignen是由植物不斷生產以保護自己免受掠食者侵害的，因此該團隊的創造可能代表了一種可持續的新型印刷材料，可用于輕型建筑或工業應用。

弗萊堡大學的研究人員使用DIW 3D打印技術(如圖)測試了他們的新型生物材料。圖片來自弗萊堡大學的Lisa Ebers。

液晶聚合物3D打印材料

液晶聚合物(LCP)是通過將棒狀聚合物與柔性卷材塑料共混而制成的，是一種牢固可靠的輕巧分子復合材料。隨著研究開始轉向可持續材料的開發，LCP已越來越多地與生物聚合物混合，以嘗試創建一種生態友好型樹脂。

在今年早些時候弗萊堡研究小組進行的研究中，他們將有機溶劑木質素(OSL)添加到了羥丙基纖維素(HPC)中，將木質素插入混合物中的作用是深遠的。添加木質素顯著提高了剪切誘導的瞬態帶的穩定性，從而能夠通過剪切流延形成堅固的，高度取向的，可延展的薄膜。

后來發現化學交聯可增強OSL-HPC混合物的完整性，并改善其水溶性缺點，但這兩者均以其環保標志為代價。結果，開發可持續的基于生物的交聯劑仍然是挑戰，它將聚合物變成不溶性液晶聚合物(LC)網絡。

先前的研究人員設法通過輻射和酯化進一步實現交聯，但同樣，這些不是基于生物的解決方案。為了生產具有所需特性的LCE，弗賴堡研究小組提出使用多官能羧酸(一種已知的碳水化合物交聯劑)來增強聚合物。

人們發現，在團隊的生物聚合物混合物中添加木質素會使木質素的溶解度降低或易于膨脹。圖片來自ACS Applied Bio Materials期刊。

弗萊堡團隊的木質生物材料

與使用剪切鑄造工藝生產的LCP相比，增材制造的LCP有望具有更高的取向水平，并且材料效率更高。從一開始，研究人員便著手開發一種與直接墨水書寫(DIW)和熔融沉積建模(FDM)3D打印機兼容的材料。

為了制造新型的木質素基聚合物，研究小組將HPC和OSL粉末分別溶解在乙酸中，然后在黑暗中保存兩天。將溶液以恒定的HPC / OSL比為4：1(w / w)的總和混合，再密封5天。加入交聯劑和甘油檸檬酸后，將混合物混合并離心，得到研究人員的3D打印聚合物。

在去離子水中的溶解度測試表明，后固化對材料的化學行為有重要影響。暴露于水中的非固化樣品會在幾分鐘內崩解，而固化樣品則完全不溶，這表明交聯對網絡形成的重要性。

隨后對沉積的長絲進行流變分析，以評估固化過程中3D打印組件的結構完整性。結果表明，木質素含量較高的材料顯示出較低的順應性，這更有利于印刷后的穩定性。結果，木質素(世界上第二大生物聚合物)已證明自己是創建可用和可持續的LCP的關鍵成分。

弗賴堡研究小組的結論是，他們已經成功證明了環保的HPC / OSL共混物，與以前的LCP不同，該分子具有超分子鎖定的結構。盡管研究人員已經優化了3D打印零件的解決方案，但他們也承認需要進一步改進以固化用于最終用途建筑應用的預制結構。

使增材制造更具可持續性

許多大學和組織目前正在研究使3D打印更加環保的方法。

立陶宛維爾紐斯大學和考納斯技術大學的科學家開發了一種可回收樹脂，用于光學3D打印(O3P)。這種新的生物材料旨在將O3DP生產轉向生物基樹脂，而不是不可回收的石油衍生光敏聚合物。

金屬粉末制造商Equispheres已從加拿大可持續發展技術(SDTC)獲得800萬加元的資金，用于制造可持續的3D打印粉末。獨立測試證實，與傳統粉末相比，該材料生產速度更快，并且具有改善的機械性能。

波蘭公司Amazemet推出了一款超聲波霧化器，它能夠從多種不同的原料中制造粉末狀原料。使用該設備，可以輕松地對3D打印廢料進行再處理并將其回收為細金屬粉末。

研究人員的發現在發表于ACS Applied Bio Materials期刊上的題為“具有直接墨水書寫潛力的生物基液晶網絡材料中的木質素”中詳細介紹。該報告由F. Robert Gleuwitz，Gopakumar Sivasankarapillai，Gilberto Siqueira，Christian Friedrich和Marie-Pierre G. Laborie共同撰寫。