麻省理工學(xué)院開發(fā)基于植物衍生的3D打印材料，新材料“堅(jiān)如骨，硬如鋁”

南極熊導(dǎo)讀：2022年2月10日麻省理工學(xué)院(MIT) 的研究人員提出了一種新穎的植物衍生 3D 打印復(fù)合材料，通過使用天然纖維素來替代石油基塑料，新材料CNCs具有堅(jiān)固、環(huán)保的特性，是塑料很好的代替品。

比塑料更堅(jiān)固、更堅(jiān)韌、更環(huán)保的新材料
這種材料由合成塑料和纖維素納米晶體 (CNCs) 的混合物制成，是一種天然存在于植物內(nèi)的有機(jī)聚合物鏈，具有高度強(qiáng)化的實(shí)體結(jié)構(gòu)，類似于軟體動(dòng)物的內(nèi)殼。

通過特殊工藝將這種復(fù)合材料的 CNC 含量提高到 90%以后，該團(tuán)隊(duì)得到比“某些類型的骨頭還要堅(jiān)硬，比常規(guī)鋁更堅(jiān)硬”的新材料。在合成開發(fā)的過程中，工程師還嘗試降低了材料中汽油含量，目的是可以解鎖更多可持續(xù)為3D打印或具有未知特性的零件鑄造的能力。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授 A. John Hart 說：“通過在高負(fù)載下使用 CNC 制造復(fù)合材料，我們可以賦予聚合物基材料前所未有的機(jī)械性能�！� “如果我們可以用天然纖維素代替一些石油基塑料，那對(duì)地球來說可能是更好的代替品�！�

通過將大量 CNC 集成到他們的材料中，該團(tuán)隊(duì)能夠?yàn)槠涮峁╊愃朴谲涹w動(dòng)物殼的圖案。圖片來自麻省理工學(xué)院。

釋放 CNC 的潛力
每個(gè)木細(xì)胞內(nèi)部都有一個(gè)由纖維素制成的基質(zhì)，纖維素是自然界最豐富的聚合物，每一種纖維都含有增強(qiáng)的 CNCs。盡管此類 CNC 具有排列成晶體圖案的聚合物鏈，但在納米程度上纖維素比 Kevlar 更堅(jiān)固（纖維素是一種常見元素被用于制成紙張，或用于食品、化妝品或紡織行業(yè)等）。

由于CNC具有良好的機(jī)械性能，現(xiàn)在已有大量科研人員正在嘗試使用酸水解法提取 CNC，目的是使用它們來強(qiáng)化合成塑料。然而根據(jù)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的研究，他們只能將低濃度的纖維摻入其他材料中，因?yàn)檫@種方法通常會(huì)產(chǎn)生結(jié)塊并與聚合物分子弱結(jié)合的現(xiàn)象。

為了克服這個(gè)缺陷，麻省理工學(xué)院的工程師因此開發(fā)了一種新材料，通過將 CNCs 混合到環(huán)氧低聚物和光引發(fā)劑中，其比例可以使它們變成凝膠。通過此方式，開發(fā)出了一種新的納米復(fù)合材料，其稠度允許它通過 3D 打印噴嘴進(jìn)料或倒入模具中進(jìn)行鑄造，而不會(huì)產(chǎn)生因塑料聚力差而出現(xiàn)腫塊。

南極熊獲悉“我們基本上解構(gòu)并重建了木材，”該項(xiàng)目的研究人員之一 Abhinav Rao 博士解釋說。“我們采用了木材中最好的成分，即纖維素納米晶體，并對(duì)其進(jìn)行了重構(gòu)，從而獲得了一種新的復(fù)合材料。

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)采用基于纖維素3D打印而成的牙齒模型。圖片來自麻省理工學(xué)院。

一種難以破解的納米復(fù)合材料
當(dāng)麻省理工學(xué)院的研究人員在顯微鏡下檢查他們的新材料時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)它的特征具有類似珍珠層的圖案，珍珠層是一種堅(jiān)韌的生物礦物，排列在一些軟體動(dòng)物殼的內(nèi)側(cè)。由于其“之”字型微觀結(jié)構(gòu)和高達(dá)90%的CNC負(fù)載能力，該團(tuán)隊(duì)推測(cè)他們的纖維素基復(fù)合材料可以打印或模塑成高度耐用的新產(chǎn)品。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，工程師們繼續(xù)將凝膠送入配備氣動(dòng)擠出機(jī) 的 DIW Hyrel 3D Engine SR打印機(jī)中，然后將其沉積成 0.5 毫米的層狀部件，然后在測(cè)試前對(duì)其進(jìn)行固化、干燥和拋光。

該材料有朝一日可能用于制造木材衍生的牙科植入物。圖片來自麻省理工學(xué)院。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明凝膠在擠出時(shí)收縮了 80%，該團(tuán)隊(duì)測(cè)試后分析實(shí)驗(yàn)并總結(jié)為初始干燥過程中的溶劑蒸發(fā)問題。然而，在干燥和熱固化步驟之間，他們發(fā)現(xiàn)材料成型時(shí)收縮率要小得多，并且使用探頭超聲儀將 CNCs 分散到凝膠中，也是將它們與聚合物結(jié)合的一種高效方法。

該團(tuán)隊(duì)正在尋找減少凝膠干燥時(shí)收縮的方法。雖然在打印小物體時(shí)收縮不是什么大問題，但隨著復(fù)合材料干燥，目前用于更大的物體都有彎曲或破裂的情況。

南極熊點(diǎn)評(píng)：麻省理工學(xué)院的這款材料目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，但工程師堅(jiān)信這個(gè)材料的強(qiáng)度和可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，以及這種新材料未來在3D打印的發(fā)展前景，短期目標(biāo)希望這款新材料可以使其應(yīng)用于纖維素基牙科植入物的生產(chǎn)，甚至更大的環(huán)保部件，但是他們還需要完善并解決納米復(fù)合材料的收縮問題以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)。