用綠色產(chǎn)品的3D打印模仿木材的超微結(jié)構(gòu)

瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員用木基油墨成功地進(jìn)行了3D打印，模仿了木材的獨(dú)特“超微結(jié)構(gòu)”。他們的研究可以徹底改變綠色產(chǎn)品的制造。通過(guò)仿效木材的天然蜂窩結(jié)構(gòu)，他們現(xiàn)在能夠創(chuàng)造源自樹木的綠色產(chǎn)品，具有獨(dú)特的性質(zhì) - 從衣服，包裝，家具到醫(yī)療保健和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品。

木材生長(zhǎng)的方式由其遺傳密碼控制，這使其在孔隙度，韌性和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度方面具有獨(dú)特的性質(zhì)。但木材在加工方面有局限性。與金屬和塑料不同，它不能熔化并且易于重新成形，而是必須鋸切，刨平或彎曲。涉及轉(zhuǎn)換，制造紙張，卡片和紡織品等產(chǎn)品的過(guò)程會(huì)破壞木質(zhì)細(xì)胞的潛在超微結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)。但是現(xiàn)在提出的新技術(shù)允許木材實(shí)際上通過(guò)3D打印介質(zhì)生長(zhǎng)成最終產(chǎn)品所需的形狀。

通過(guò)預(yù)先將木漿轉(zhuǎn)化為納米纖維素凝膠，Chalmers的研究人員已經(jīng)成功地創(chuàng)造了一種可以3D打印的油墨。現(xiàn)在，他們提出了一個(gè)重要的進(jìn)展 - 成功地解釋和數(shù)字化木材的遺傳密碼，以便它可以指導(dǎo)一臺(tái)3D打印機(jī)。

這意味著現(xiàn)在，在印刷過(guò)程中可以精確地控制纖維素納米纖絲的排列，以實(shí)際復(fù)制木材的理想超微結(jié)構(gòu)。能夠管理方向和形狀意味著它們可以捕獲天然木材的有用特性。

“這是制造技術(shù)的一個(gè)突破。它使我們能夠超越自然的極限，創(chuàng)造出新的可持續(xù)的綠色產(chǎn)品。這意味著那些現(xiàn)在已經(jīng)以森林為基礎(chǔ)的產(chǎn)品現(xiàn)在可以三維印刷，目前用于三維打印的金屬和塑料可以用可再生的，可持續(xù)的替代品替代，“Paul Gatenholm教授說(shuō)道，他曾在查爾姆斯理工大學(xué)瓦倫堡木材科學(xué)中心領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究。

先前研究的進(jìn)一步進(jìn)展是向納米纖維素凝膠中添加半纖維素(植物細(xì)胞的天然組分)。半纖維素充當(dāng)膠，使纖維素具有足夠的強(qiáng)度，以與木質(zhì)化的天然過(guò)程類似的方式，通過(guò)該過(guò)程構(gòu)建細(xì)胞壁。

新技術(shù)開辟了一個(gè)全新的可能性領(lǐng)域。與天然木材相比，木質(zhì)產(chǎn)品現(xiàn)在可以按照訂單進(jìn)行設(shè)計(jì)和“種植” - 大大縮短了時(shí)間尺度。

Paul Gatenholm的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一種創(chuàng)新包裝概念的原型。他們打印出蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在印刷壁之間有腔室，然后設(shè)法將固體顆粒封裝在這些腔室內(nèi)。纖維素具有優(yōu)異的氧氣阻隔性能，這意味著這可能是一種有前景的方法，用于為食品或藥品創(chuàng)造氣密包裝。

“以這種方式制造產(chǎn)品可以在資源和有害排放方面節(jié)省大量資金，”他說(shuō)。“想象一下，例如，如果我們可以開始在當(dāng)?shù)卮蛴“b。它將意味著替代當(dāng)今的行業(yè)，嚴(yán)重依賴塑料和生成二氧化碳的運(yùn)輸。包裝可以按照訂單設(shè)計(jì)和制造，沒(méi)有任何浪費(fèi)。”

他們還開發(fā)了醫(yī)療保健產(chǎn)品和服裝的原型。Paul Gatenholm認(rèn)為該技術(shù)具有巨大潛力的另一個(gè)領(lǐng)域是太空，他們相信它為進(jìn)一步開發(fā)該技術(shù)提供了完美的第一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。

“植物的原料是極其可再生的，因此原料可以在較長(zhǎng)的太空旅行期間，或在月球上或火星上生產(chǎn)。如果你正在種植食物，可能會(huì)獲得纖維素和半纖維素，” Paul Gatenholm說(shuō)。

研究人員已經(jīng)在歐洲空間局(ESA)的一個(gè)研討會(huì)上成功地展示了他們的技術(shù)，并且還與佛羅里達(dá)理工學(xué)院和美國(guó)宇航局合作開展了另一個(gè)項(xiàng)目，包括微重力材料的測(cè)試。

“在太空旅行一直是地球物質(zhì)發(fā)展的催化劑，”他說(shuō)。