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弗莱堡大学的研究人员开发了新型的环保型木质3D打印材料

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发布:2020-12-01 16:09:42    

弗赖堡大学(UCF)森林生物材料系的研究人员开发了一种新型的环保型木质3D打印材料。

由UCF教授玛丽·皮埃尔·劳伯(Marie-Pierre Laborie)领导的研究小组将木质素(一种能为植物细胞壁提供强度的化学物质)与纤维素球结合在一起,从而创造出一种新型的生物合成聚合物。由于Lignen是由植物不断生产以保护自己免受掠食者侵害的,因此该团队的创造可能代表了一种可持续的新型印刷材料,可用于轻型建筑或工业应用。

弗莱堡大学的研究人员使用DIW 3D打印技术(如图)测试了他们的新型生物材料。图片来自弗莱堡大学的Lisa Ebers。

液晶聚合物3D打印材料

液晶聚合物(LCP)是通过将棒状聚合物与柔性卷材塑料共混而制成的,是一种牢固可靠的轻巧分子复合材料。随着研究开始转向可持续材料的开发,LCP已越来越多地与生物聚合物混合,以尝试创建一种生态友好型树脂。

在今年早些时候弗莱堡研究小组进行的研究中,他们将有机溶剂木质素(OSL)添加到了羟丙基纤维素(HPC)中,将木质素插入混合物中的作用是深远的。添加木质素显着提高了剪切诱导的瞬态带的稳定性,从而能够通过剪切流延形成坚固的,高度取向的,可延展的薄膜。

后来发现化学交联可增强OSL-HPC混合物的完整性,并改善其水溶性缺点,但这两者均以其环保标志为代价。结果,开发可持续的基于生物的交联剂仍然是挑战,它将聚合物变成不溶性液晶聚合物(LC)网络。

先前的研究人员设法通过辐射和酯化进一步实现交联,但同样,这些不是基于生物的解决方案。为了生产具有所需特性的LCE,弗赖堡研究小组提出使用多官能羧酸(一种已知的碳水化合物交联剂)来增强聚合物。

人们发现,在团队的生物聚合物混合物中添加木质素会使木质素的溶解度降低或易于膨胀。图片来自ACS Applied Bio Materials期刊。

弗莱堡团队的木质生物材料

与使用剪切铸造工艺生产的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。从一开始,研究人员便着手开发一种与直接墨水书写(DIW)和熔融沉积建模(FDM)3D打印机兼容的材料。

为了制造新型的木质素基聚合物,研究小组将HPC和OSL粉末分别溶解在乙酸中,然后在黑暗中保存两天。将溶液以恒定的HPC / OSL比为4:1(w / w)的总和混合,再密封5天。加入交联剂和甘油柠檬酸后,将混合物混合并离心,得到研究人员的3D打印聚合物。

在去离子水中的溶解度测试表明,后固化对材料的化学行为有重要影响。暴露于水中的非固化样品会在几分钟内崩解,而固化样品则完全不溶,这表明交联对网络形成的重要性。

随后对沉积的长丝进行流变分析,以评估固化过程中3D打印组件的结构完整性。结果表明,木质素含量较高的材料显示出较低的顺应性,这更有利于印刷后的稳定性。结果,木质素(世界上第二大生物聚合物)已证明自己是创建可用和可持续的LCP的关键成分。

弗赖堡研究小组的结论是,他们已经成功证明了环保的HPC / OSL共混物,与以前的LCP不同,该分子具有超分子锁定的结构。尽管研究人员已经优化了3D打印零件的解决方案,但他们也承认需要进一步改进以固化用于最终用途建筑应用的预制结构。

使增材制造更具可持续性

许多大学和组织目前正在研究使3D打印更加环保的方法。

立陶宛维尔纽斯大学和考纳斯技术大学的科学家开发了一种可回收树脂,用于光学3D打印(O3P)。这种新的生物材料旨在将O3DP生产转向生物基树脂,而不是不可回收的石油衍生光敏聚合物。

金属粉末制造商Equispheres已从加拿大可持续发展技术(SDTC)获得800万加元的资金,用于制造可持续的3D打印粉末。独立测试证实,与传统粉末相比,该材料生产速度更快,并且具有改善的机械性能。

波兰公司Amazemet推出了一款超声波雾化器,它能够从多种不同的原料中制造粉末状原料。使用该设备,可以轻松地对3D打印废料进行再处理并将其回收为细金属粉末。

研究人员的发现在发表于ACS Applied Bio Materials期刊上的题为“具有直接墨水书写潜力的生物基液晶网络材料中的木质素”中详细介绍。该报告由F. Robert Gleuwitz,Gopakumar Sivasankarapillai,Gilberto Siqueira,Christian Friedrich和Marie-Pierre G. Laborie共同撰写。

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