研究人員從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度出發(fā)，將木質(zhì)素用于可持續(xù)3d打印

2022年1月23日，南極熊獲悉，密歇根大學(xué)(UD)的研究人員發(fā)表了一篇新的研究論文，探索將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為新的3D打印材料的經(jīng)濟(jì)方法。這篇論文專注于木質(zhì)素，這是一種制造紙制品的廢料，證明了將其高效轉(zhuǎn)化為生物基3D打印樹脂是可能的，他們聲稱這種方法與類似的石油產(chǎn)品具有競(jìng)爭力。

UD的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人托馬斯·埃普斯(Thomas Epps)表示：“在特定的技術(shù)手段下不僅能將木質(zhì)素分解并轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品，而且還能保持低于石油材料的成本，以及減少對(duì)環(huán)境的影響，這是以前沒有探索過的領(lǐng)域�！�

△密歇根大學(xué)的研究人員和同事正在研究的3D打印用生物樹脂。圖片來自寶拉·普蘭達(dá)(Paula Pranda)

3D打印用木質(zhì)素的再利用

木質(zhì)素是一種為植物細(xì)胞壁提供強(qiáng)度和剛度的化學(xué)物質(zhì)，植物會(huì)不斷產(chǎn)生木質(zhì)素以保護(hù)自己免受捕食者的侵害。因此，木質(zhì)素是一種廣泛可用的資源，世界各地的紙漿和零件廠每年產(chǎn)生約 1 億噸技術(shù)性木質(zhì)素廢料，眾多大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)都在嘗試在再利用木質(zhì)素方面有所創(chuàng)新。

2020，佛雷堡大學(xué)的研究人員將木質(zhì)素與纖維素結(jié)合起來，開發(fā)出他們自己的環(huán)保型木質(zhì)3D印刷材料。生物合成聚合物在輕型建筑或工業(yè)應(yīng)用中具有潛在用途。麻省理工學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)了他們自己的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的木質(zhì)細(xì)胞，其中含有木質(zhì)素增強(qiáng)的墻壁，可以形成一種新的、更可持續(xù)的3D打印生物材料的基礎(chǔ)。盡管仍處于早期階段，但在未來，這項(xiàng)研究可能會(huì)成為3D打印環(huán)保家具或生產(chǎn)合成木材的一種手段，應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的全球森林砍伐危機(jī)。這一領(lǐng)域最顯著的發(fā)展是Desktop Metal在去年中期推出的新Forust wood 3D打印技術(shù)。該工藝將木質(zhì)素和鋸末等木材廢料的副產(chǎn)品結(jié)合，以創(chuàng)建與其粘合劑噴射技術(shù)兼容的可持續(xù)3D打印材料。

△弗萊堡大學(xué)的研究人員使用DIW 3D打印技術(shù)（如圖）測(cè)試了他們的新型環(huán)保木基3D打印材料

改善木質(zhì)素的經(jīng)濟(jì)方法

UD 研究與該領(lǐng)域其他研究的不同之處在于它專注于改進(jìn)生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性。升級(jí)木質(zhì)素的主要缺點(diǎn)之一是許多現(xiàn)有工藝需要在非常高的溫度下運(yùn)行，因此價(jià)格昂貴且難以規(guī)�；�。當(dāng)前的工業(yè)技術(shù)還伴隨著與傳統(tǒng)溶劑、溫度或壓力相關(guān)的安全問題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，UD 研究團(tuán)隊(duì)將甲醇替換為甘油，以使該過程能夠在正常大氣壓下進(jìn)行。甘油是一種廉價(jià)的原料，通常用于液體化妝品、肥皂和洗發(fā)水中，具有保濕功效，但也可用于將木質(zhì)素分解為其它化學(xué)成分，從中可以生產(chǎn)出多種生物基產(chǎn)品，如 3D 打印樹脂成分。用甘油代替甲醇提供了相同的化學(xué)功能，但蒸汽壓低得多，無需封閉系統(tǒng)。這使研究人員能夠同時(shí)完成該過程的反應(yīng)和分離步驟，從而形成更具成本效益的系統(tǒng)。

據(jù)研究人員稱，在大氣壓下操作不僅更安全，而且還提供了一條直接的途徑，可以將該方法從小批量擴(kuò)大到連續(xù)運(yùn)行，他們說這將創(chuàng)造更多更便宜、更快、更少人工的材料。

△在市售的 SLA 打印機(jī)中使用生物樹脂 3D 打印“UD”

南極熊之前也報(bào)道了眾多研究，致力于將3D打印應(yīng)用于環(huán)保事業(yè)，實(shí)現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)的再生產(chǎn)方法，諸如Stratasys采用來源于蓖麻油的PA11實(shí)現(xiàn)環(huán)保生產(chǎn)制造，東京奧運(yùn)會(huì)使用廢棄塑料打印領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)，科學(xué)家將建筑垃圾回收利用為環(huán)保3D打印材料等等

△東京奧運(yùn)會(huì)使用廢棄塑料打印領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)